CAN總線起始于1986年左右，至今仍廣泛應用?，F在人們對安全的要求已大為提高，所以要不斷仔細審視CAN的安全性能。現在已經發現的重要的CAN問題有：在消極報錯狀態下可能出現等效離線，使節點不能收發的時間相當長[1]；錯幀漏檢率的估計不準，特別在誤碼率高時比Bosch CAN2.0數據高多個數量級[2]，在單目的地址時影響數據正確性，在多個目的地址時會影響數據一致性；標準的振蕩源精度要求偏低[3]，使誤用廉價器件成為可能，影響系統的穩定性；本文發現的優先級倒置的可能性，使調度分析結果的可信度下降；在數據幀倒數第二位的局部錯可能引起不一致的接收重復或丟失[4]。所以在FlexRay尚未達到預定目標、無論在可靠性還是價格上能取代CAN以前，對CAN作進一步的改進仍然是非常有意義的。

CAN是一種代表性的事件觸發通信協議，同時發生的多個通信請求將按照消息的優先級進行無損仲裁，高優先級的勝出。按照消息的優先級進行無損仲裁是CAN原始專利的唯一權利要求[5]。對于低優先級的消息而言，送達時間將受到高優先級消息的阻擾，在高優先級消息為周期性時，最壞送達時間是可以預先計算出的[6]。如果能安排好發送消息的初始相位并作寬松的時鐘同步，這個最壞送達時間可以大為減少。事件觸發協議的優點是總線帶寬可以得到充分利用。另一個優點是高優先級消息可得到迅速發送。但是由于工業環境中普遍存在的電磁干擾，總線上會有毛刺，CAN總線的標準中已考慮到應對方法?，F在發現毛刺應對方法可能使節點的同步受到影響，從而損及高優先級消息的發送機會，出現優先級的倒置，動搖了CAN總線的基本性能。

1　毛刺的存在

車內電磁環境惡劣， ISO 76372/3總結出代表性的傳導和輻射干擾。有人專門作了輻射干擾的實驗，參考文獻[7]的實驗中用24 V蓄電池給車內常用的繼電器供電（CAN系統供電是獨立的），電源線與CAN電纜靠得很近，在電纜線有屏蔽、線長為2 m時，手動開關繼電器時可以看到CAN波形上疊加的毛刺，輻射干擾實驗結果如圖1所示。

圖1 輻射干擾實驗結果

實際汽車上也見到CAN總線失效的報告[8]：豐田汽車在經銷商產品報告中確認，由任何原因召回的車中發現丟失CAN數據的記錄有292宗。毛刺是引起CAN總線出錯的可能原因，其具體誘發過程需要仔細分析，不能掉以輕心。

2　CAN位時間與消息仲裁原理

CAN總線把位時間劃分為NBT等分的時間片，稱為Tq。CAN總線控制器按Tq對總線上的差分電平進行采樣，以決定內部狀態。當總線上沒有通信時，稱為總線空閑，電平差在0~0.5 V，邏輯值為“1”。電平差為0.9 V以上時邏輯值為“0”。 由圖1可知，存在“0“毛刺，也存在“1“毛刺。CAN總線驅動器的特性是線與，當“1”和“0”同時發生時，總線的電平為“0”，這便是仲裁功能。一幀開始發送的第一位是“0“，稱為SOF，然后是消息的標識符ID。ID代表了消息的優先級，每個節點通過位采樣知道總線上仲裁的結果，正常工作時如果發送“1”而讀回“0”，表示本發送節點本次ID發送失敗，需等下一次幀發送機會。

總線空閑時，一個有發送要求的節點須先觀察是否有別的節點已經開始發送，如已開始就不能發送。正是這里，由一個“0”毛刺開始的時段可以誤解為別的節點已開始傳送SOF，毛刺阻斷了該節點的發送（不管該節點要傳送的消息優先級有多高）。

由于傳送電纜延遲以及中間器件（如光隔離）的延遲τ，節點將見不到提前量τ以內發送的別的節點的SOF。同理，別的節點要經過τ以后才見到該節點發送的SOF，τ以后別的節點就因總線上已有發送而不允許發送了。這樣，在本節點請求時刻±τ內的發送被認為是“同時”請求發送，它們將按ID仲裁。對遲于其τ的其他低優先級幀的發送，它也是必然勝出的。

3　CAN位時間同步的有關規定

CAN的位時間分為同步段（Sync）、傳輸段（Tprop）、緩沖1段（Ph1）與緩沖2段（Ph2），位值采樣在Ph1 與Ph2之間。位值變化時將有跳變沿，只有1/0為同步用的跳變沿。跳變沿決定了相位差e，跳變沿在Ph2內e為負，在Sync內為0，在Tprop和Ph1內為正。每個節點根據e實行同步，同步的修正量受同步的種類限制。同步分兩種：硬同步與重同步。硬同步對應幀開始時的情況，重同步對應幀內有同步沿時的情況。對重同步而言，每次的修正量不能大于稱為重同步寬度的可預先設定的量SJW，SJW=min(Ph1,Ph2)。

有關本文討論內容的CAN總線標準為ISO 118981(2003)[9]及ISO 16845(2004)[10]，正是這些條款的規定保證了CAN總線協議在高度干擾的環境下能可靠工作。

ISO 118981第10.4.2.2款規定，節點只有在總線空閑時可以發SOF，在服務間隔第3位（I.M.3）的“0”視為SOF。

ISO 118981第12.4.2.1款規定硬同步在幀間的間隔中實行。而幀間間隔包括服務間隔和總線空閑，對上次發送的消極報錯節點還包括禁發時間。因此，在I.M.3的跳變沿也是作硬同步用的。

ISO 118981第12.4.2.4款規定，重同步的目的是校正采樣點的位置，e為“+”時延長Ph1，e為“-”時縮短Ph2。校正量在e小于或等于SJW時為e，反之為SJW。

ISO 16845第7.7.2款規定了接收節點對SOF的硬同步驗證方法意味著同步段SYNC直接同步于1/0跳變沿。

ISO 16845第8.7.2.1款規定了發送節點在I.M.3位值采樣點前有1/0沿時的硬同步驗證方法：測試設備在被測單元I.M.3采樣點前Tq加被測單元內部處理時間前發0，要求被測單元在跳變沿1位后發ID最高位。這意味著發送節點要與I.M.3內1/0跳變沿硬同步，0值被采樣，下一位不再發SOF而是發ID最高位。

ISO 16845第8.7.3.1款規定了發送節點在I.M.3位值采樣點后有1/0沿時的硬同步驗證方法：測試設備在被測單元I.M.3采樣點后1個被測單元內部處理時間后發0，要求被測單元在跳變沿后1 Tq立即發SOF。這意味著發送節點是硬同步，但開始發SOF。

ISO 118981第4.18和4.16款規定了發送節點和接收節點的定義。發送節點指的是發數據幀或遠程幀的節點，其狀態維持到仲裁失敗退出或總線再度空閑，否則就是接收節點。因此總線空閑時遇到毛刺，則大家都是接收節點。

ISO 16845第7.7.9款規定了接收節點在總線空閑時對毛刺濾除的驗證方法：要確定對總線空閑時短于Tprop+Ph1-1的0不作SOF處理。也就是說硬同步后未被采樣到就不算作SOF。

4　毛刺造成優先級倒置

4.1　總線空閑時毛刺引起的倒置

總線空閑時，局部錯的0毛刺被Tq采樣到，發送節點就會按ISO 16845 7.7.2規定實行硬同步，然后就要按ISO 16845 7.7.9款確定是別的節點發送的SOF還是毛刺。如果節點H在毛刺后Tq有發送請求ReqH（如圖2所示），它也必須等待Tprop+Ph1以確定總線是否空閑。另一個節點L如有發送ReqL，其到H的傳送延遲為τ，只要它能在H的硬同步后的采樣點采到，H就不再有發送機會。此時H、L請求的時間差為Tprop+Ph1-τ。如果2個節點靠得很近，τ≈0，那么H甚至無法與比它遲Tprop+Ph1的L競爭。同時它也無法與比它早τ-1的其他節點的發送相競爭。針對第1節中所講的“同時”情況，它已完全無法參與競爭。

圖2　總線空閑時毛刺引起優先級倒置

圖3　估計倒置的概率用圖

圖4　在I.M.3中的毛刺引起優先級倒置

現在對出現優先級倒置的概率作初步分析。估計倒置的概率用圖如圖3所示。tG為毛刺發生時刻，tH為高優先級消息請求時刻，tL為低優先級消息請求時刻。如果tH發生在tG之后、該位的采樣點前，tL也在采樣點前到達，那么tH的請求將無法獲得參與競爭的機會。這件事的概率為Pa。Pa與誤碼率有關，毛刺被采到會有誤碼。假定位時間為1 μs，毛刺寬度為0.2 μs，采到機會便是20%，也就是說毛刺概率在1位時間內為誤碼率的5倍，考慮到毛刺有0毛刺與1毛刺2種，只有0毛刺會引起假的硬同步，再考慮到考察的時段為Tprop+Ph1，而不是1位，所以保守估計Pa為誤碼率的2倍。但是Pa不是因毛刺而引起倒置的概率，其中還包括了tL請求確實早于tH請求τ的部分，這部分用Pb表示。Pb=（tH-tG-τ）/（tH-tG），當（tH-tG）=τ時扣除部分Pb=0。所以最壞情況下沒有扣除，優先級消息倒置的概率近似為誤碼率的2倍。

4.2　I.M.3內毛刺引起的倒置

在上一幀認可位（ACK）“0”的重同步下，H、L兩個節點的位時間會有相位差τ，L超前時τ的大小對分析并無影響。當節點H、L均有掛起待發的消息時，按ISO 118981 10.4.2.2規定，它們應在I.M.3后一位開始發SOF，并進行競爭。若H節點由于局部錯，在I.M.3位值采樣點前有毛刺，按ISO 16845 8.7.2款，H將作硬同步，位值采樣點的移動使它可以見到L所發的SOF（如圖4所示），其條件是e>Ph2。由于在I.M.3內讀到SOF，H將在下一位開始發它的IDH最高位。假定H的IDH=“01***”，L的IDL=“10***”，H的ID11H=0經τ后傳到L，與L的SOF部分重合，并延續到L的ID10L位，當毛刺發生的e滿足NBT-(2τ+e)>Ph2時，L不會采到H的ID11H，所以它不會退出。位時間設計時NBT=SYNC+Tprop+Ph1+Ph2，Tprop≥2τ，故上式在e＜SYNC+Tprop-2τ+Ph1時能滿足，即0＜e-Ph2＜SYNC+Tprop-2τ+Ph1-Ph2。一般Ph1=Ph2，或者Ph1=Ph2+1，當節點靠得較近時τ比較小，e有較大的范圍可同時滿足該式。而L發的ID10L=0經τ后到達H，當e>Ph2時成為H的ID10H中的同步沿，并被H采樣到，H便仲裁失敗退出，形成優先級倒置。

此種倒置的概率的估計比較復雜，需要進一步研究。

5　解決方案

5.1　總線空閑時的硬同步抗毛刺措施

接收節點在總線空閑時檢查到1/0跳變沿就作硬同步，然后再每Tq繼續采樣。如在位值采樣點前發現有1，則認為總線恢復到空閑狀態。如其間已有本節點的發送請求，就在查到1的下一Tq開始本節點的發送。這樣，本節點的發送被推遲了毛刺寬度對應的時間，但是也確保本節點發送前沒有其他節點已開始傳送，所以不會有優先級倒置。

這種方法沒有解決毛刺較寬、一直延續到別的節點的SOF到達的情況。此時本節點仍然因無發送而出現優先級倒置。

5.2　I.M.3內硬同步抗毛刺措施

I.M.3內位值采樣點前出現毛刺引起硬同步，本節點也繼續采樣總線。有“1”時后繼判斷比較困難，因為硬同步后再遇到“0”的時刻不確定，可能是別的節點發的SOF在原I.M.3位值采樣點前收到，也可能在I.M.3原位值采樣點后收到，還可能又是毛刺。所以，為處理簡化起見，有掛起待發幀的本節點發送超載幀。通過報超載，超載幀結束后總線回到空閑狀態，重新實現同步。

這種方法也沒有解決毛刺較寬、一直延續到別的節點的SOF到達的情況。此時本節點仍然因無發送而出現優先級倒置。

6　小結

毛刺濾除和幀開始時刻的硬同步是為保障通信正常的兩個不同側面的要求，在現有CAN總線協議的設計中出現了沖突，造成在某種特定情境下出現優先級倒置。由于毛刺引起優先級倒置的危害性與具體應用的種類有關，一般地說，系統設計時已盡量防止毛刺的干擾，毛刺發生的概率已比較小，發生在特定位置就更小。

在優先級倒置的情況下，可能下一次競爭就不會發生倒置，做最壞送達時間分析時[6]，可以將低優先級的阻斷加倍來加以分析。

但是也可能在下一次競爭時仍發生倒置。在車輛安全認證分析時，需要確定倒置引起的的每小時的故障率，這使分析需要引入誤碼率的假設，需要進一步的工作。

本文提出了在完全兼容CAN總線的條件下的改進方案，但方案只是局部有效，根本的改進可能無法達到完全兼容。