Can acknowledgment error

CAN Error Detection and Confinement

One of the most important and useful features of CAN is its high reliability, even in extremely noisy environments. CAN provides a variety of mechanisms to detect errors in frames. This error detection is used to retransmit the frame until it is received successfully. CAN also provides an error confinement mechanism used to remove a malfunctioning device from the CAN network when a high percentage of its frames result in errors. This error confinement prevents malfunctioning devices from disturbing the overall network traffic.

Error Detection

Whenever any CAN device detects an error in a frame, that device transmits a special sequence of bits called an error flag. This error flag is normally detected by the device transmitting the invalid frame, which then retransmits to correct the error. The retransmission starts over from the start of frame, and thus arbitration with other devices can occur again.

CAN devices detect the following errors, which are described in the following sections:

• Bit error
• Stuff error
• CRC error
• Form error
• Acknowledgment error

Bit Error

During frame transmissions, a CAN device monitors the bus on a bit-by-bit basis. If the bit level monitored is different from the transmitted bit, a bit error is detected. This bit error check applies only to the Data Length Code, Data Bytes, and Cyclic Redundancy Check fields of the transmitted frame.

Stuff Error

Whenever a transmitting device detects five consecutive bits of equal value, it automatically inserts a complemented bit into the transmitted bit stream. This stuff bit is automatically removed by all receiving devices. The bit stuffing scheme is used to guarantee enough edges in the bit stream to maintain synchronization within a frame.

A stuff error occurs whenever six consecutive bits of equal value are detected on the bus.

CRC Error

A CRC error is detected by a receiving device whenever the calculated CRC differs from the actual CRC in the frame.

Form Error

A form error occurs when a violation of the fundamental CAN frame encoding is detected. For example, if a CAN device begins transmitting the Start Of Frame bit for a new frame before the End Of Frame sequence completes for a previous frame (does not wait for bus idle), a form error is detected.

Acknowledgment Error

An acknowledgment error is detected by a transmitting device whenever it does not detect a dominant Acknowledgment Bit (ACK).

Error Confinement

To provide for error confinement, each CAN device must implement a transmit error counter and a receive error counter. The transmit error counter is incremented when errors are detected for transmitted frames, and decremented when a frame is transmitted successfully. The receive error counter is used for received frames in much the same way. The error counters are increased more for errors than they are decreased for successful reception/transmission. This ensures that the error counters will generally increase when a certain ratio of frames (roughly 1/8) encounter errors. By maintaining the error counters in this manner, the CAN protocol can generally distinguish temporary errors (such as those caused by external noise) from permanent failures (such as a broken cable). For complete information on the rules used to increment/decrement the error counters, refer to the CAN specification (ISO 11898).

With regard to error confinement, each CAN device may be in one of three states: error active, error passive, and bus off.

Error Active State

When a CAN device is powered on, it begins in the error active state. A device in error active state can normally take part in communication, and transmits an active error flag when an error is detected. This active error flag (sequence of dominant 0 bits) causes the current frame transmission to abort, resulting in a subsequent retransmission. A CAN device remains in the error active state as long as the transmit and receive error counters are both below 128. In a normally functioning network of CAN devices, all devices are in the error active state.

Error Passive State

If either the transmit error counter or the receive error counter increments above 127, the CAN device transitions into the error passive state. A device in error passive state can still take part in communication, but transmits a passive error flag when an error is detected. This passive error flag (sequence of recessive 1 bits) generally does not abort frames transmitted by other devices. Since passive error flags cannot prevail over any activity on the bus line, they are noticed only when the error passive device is transmitting a frame. Thus, if an error passive device detects a receive error on a frame which is received successfully by other devices, the frame is not retransmitted.

One special rule to keep in mind: When an error passive device detects an acknowledgment error, it does not increment its transmit error counter. Thus, if a CAN network consists of only one device (for example, if you do not connect a cable to the National Instruments CAN interface), and that device attempts to transmit a frame, it retransmits continuously but never goes into bus off state (although it eventually reaches error passive state).

Bus Off State

If the transmit error counter increments above 255, the CAN device transitions into the bus off state. A device in the bus off state does not transmit or receive any frames, and thus cannot have any influence on the bus. The bus off state is used to disable a malfunctioning CAN device which frequently transmits invalid frames, so that the device does not adversely affect other devices on the network. When a CAN device transitions to bus off, it can be placed back into error active state (with both counters reset to zero) only by manual intervention. For sensor/actuator types of devices, this often involves powering the device off then on. For NI-CAN network interfaces, communication can be started again using an API function.

Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.

Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).

Рис. 1. Топология сети CAN.

CAN контроллеры соединяются с помощью дифференциальной шины, которая имеет две линии — CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low), по которым передаются сигналы. Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L. Логическая единица — в случае когда сигналы CAN_H и CAN_L одинаковы (отличаются менее чем на 0.5 В). Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях. Логический ноль — называется доминантным битом, а логическая единица — рецессивным. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN. При одновременной передаче в шину лог. нуля и единицы, на шине будет зарегестрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).

Типы сообщений сети CAN.

Данные в CAN передаются короткими сообщениями-кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа сообщений:

• Data Frame
• Remote Frame
• Error Frame
• Overload Frame

Data Frame — это наиболее часто используемый тип сообщения. Он состоит из следующих основных частей:

• поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть. Поле арбитража состоит в свою очередь из:
  • для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
  • для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)

  Следует отметить, что поле идентификатора, несмотря на свое название никак не идентифицирует само по себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных. Для Data кадра бит RTR всегда выставлен в логический ноль (доминантный сигнал).

• поле данных (data field) содержит от 0 до 8 байт данных
• поле CRC (CRC field) содержит 15-битную контрольную сумму сообщения, которая используется для обнаружения ошибок
• слот подтверждения (Acknowledgement Slot) (1 бит), каждый CAN-контроллер, который правильно принял сообщение посылает бит подтверждения в сеть. Узел, который послал сообщение слушает этот бит, и в случае если подтверждение не пришло, повторяет передачу. В случае приема слота подтверждения передающий узел может быть уверен лишь в том, что хотя бы один из узлов в сети правльно принял его сообщение.

Рис. 2. Data frame стандарта CAN 2.0A.

Remote Frame — это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 — рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра — это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).

Error Frame — это сообщение которое явно нарушает формат солобщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag.

Overload Frame — повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload-кадр практически не используется.

Контроль доступа к среде передачи (побитовый арбитраж).

Поле арбитража CAN-кадра используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом не деструктивного арбитража. Суть метода не деструктивного арбитража заключается в следующем. В случае, когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN кадра в сеть, каждый из них сравнивает, бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера передают следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой (другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени, пока шина вновь не освободится. Конечно, если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.

Рис. 3. Побитовый арбитраж на шине CAN.

Методы обнаружения ошибок.

CAN протокол определяет пять способов обнаружения ошибок в сети:

• Bit monitoring
• Bit stuffing
• Frame check
• ACKnowledgement Check
• CRC Check

Bit monitoring — каждый узел во время передачи битов в сеть сравнивает значение передаваемого им бита со значением бита которое появляется на шине. Если эти значения не совпадают, то узел генерирует ошибку Bit Error. Естественно, что во время арбитража на шине (передача поля арбитража в шину) этот механизм проверки ошибок отключается.

Bit stuffing — когда узел передает последовательно в шину 5 бит с одинаковым значением, то он добавляет шестой бит с противоположным значением. Принимающие узлы этот дополнительный бит удаляют. Если узел обнаруживает на шине больше 5 последовательных бит с одинаковым значением, то он генерирует ошибку Stuff Error.

Frame Check — некоторые части CAN-сообщения имеют одинаковое значение во всех типах сообщений. Т.е. протокол CAN точно определяет какие уровни напряжения и когда должны появляться на шине. Если формат сообщений нарушается, то узлы генерируют ошибку Form Error.

ACKnowledgement Check — каждый узел получив правильное сообщение по сети посылает в сеть доминантный (0) бит. Если же этого не происходит, то передающий узел регистрирует ошибку Acknowledgement Error.

CRC Check — каждое сообщение CAN содержит CRC сумму, и каждый принимающий узел подсчитывает значение CRC для каждого полученного сообщения. Если подсчитанное значение CRC суммы, не совпадает со значением CRC в теле сообщения, принимающий узел генерирует ошибку CRC Error.

Механизм ограничения ошибок (Error confinement).

Каждый узел сети CAN, во время работы пытается обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame, разрушая тем самым весь текущий трафик сети (передачу и прием текущего сообщения). Все остальные узлы обнаруживают Error Frame и принимают соответствующие действия (сбрасывают принятое сообщение). Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок: Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и Receive Error Counter (счетчик ошибок приема). Эти счетчики увеличиваются или уменьшаются в соответствие с несколькими правилами. Сами правила управления счетчиками ошибок достаточно сложны, но сводятся к простому принципу, ошибка передачи приводит к увеличению Transmit Error счетчика на 8, ошибка приема увеличивает счетчик Receive Error на 1, любая корректная передача/прием сообщения уменшают соответствующий счетчик на 1. Эти правила приводят к тому, что счетчик ошибок передачи передающего узла увеличивается быстрее, чем счетчик ошибок приема принимающих узлов. Это правило соответствует предположению о большой вероятности того, что источником ошибок является передающий узел.

Каждый узел CAN сети может находится в одном из трех состояний. Когда узел стартует он находится в состоянии Error Active. Когда, значение хотя бы одного из двух счетчиков ошибок превышает предел 127, узел переходит в состояние Error Passive. Когда значение хотя бы одного из двух счетчиков превышает предел 255, узел переходит в состояние Bus Off.

Узел находящийся в состоянии Error Active в случае обнаружения ошибки на шине передает в сеть Active Error Flags. Active Error Flags сотстоит из 6 доминантных бит, поэтому все узлы его регистрируют. Узел в состоянии Passive Error передает в сеть Passive Error Flags при обнаружении ошибки в сети. Passive Error Flags состоит из 6 рецессивных бит, поэтому остальные узлы сети его не замечают, и Passive Error Flags лишь приводит к увеличению Error счетчика узла. Узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть (не только Error кадры, но вообще никакие другие).

Адресация и протоколы высокого уровня

В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов. Протокол CAN нигде не указывает что поле арбитража (Identification field + RTR) должно использоваться как идентификатор сообщения или узла. Таким образом, идентификаторы сообщений и адреса узлов могут находится в любом поле сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или присутствовать и там, и там). Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.

Утилизация поля арбитража и поля данных, и распределение адресов узлов, идентификаторов сообщений и приоритетов в сети является предметом рассмотрений так называемых протоколов высокого уровня (HLP — Higher Layer Protocols). Название HLP отражает тот факт, что протокол CAN описывает только два нижних уровня эталонной сетевой модели ISO/OSI, а остальные уровни описываются протоколами HLP.

Рис. 4. Логическая структура протокола CAN.

Существует множество таких высокоуровневых протоколов. Наиболее распространенные из них это:

• DeviceNet
• CAL/CANopen
• SDS
• CanKingdom

Физичекий уровень протокола CAN

Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411).

В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898. ISO 11898 в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом. Физический уровень CAN реализован в специальных чипах — CAN приемо-передатчиках (transceivers), которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов на шине CAN. Наиболее распространенный CAN приемо-передатчик — Phillips 82C250, который полностью соответствует стандарту ISO 11898.

Махимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mbit/sec. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью света и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, те сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети. Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице:

Разъемы для сети CAN до сих пор НЕ СТАНДАРТИЗОВАНЫ. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.

Один из немаловажных аспектов работы CAN шины является обработка прерываний bxCan. Их не так уж и много, но при правильной их настройке и обработке мы сможем обеспечить максимальную работоспособность и высокую отказоустойчивость нашего устройства. Поэтому следует обратить наше внимание на то, как это сделать правильно — создать необходимый минимум.

Теория

Начнем опять с теории и обратимся к Reference Maanual от ST Microelectronics.

Для начала мы попытаемся разобраться с механизмом прерываний микроконтроллера STM32F103C6, затем пройдемся по регистрам контроллера и, затем, выстроим некий шаблон, который мы сможем использовать в своих проектах.

Прерывания

Для bxCan может быть назначено четыре прерывания. Каждый из источников прерываний может быть включен или выключен независимо друг от друга в регистре CAN_IER (CAN Interrupt Enable Register).

Вот схема отработки прерываний приведенная в мануале:

Рис. 1. Флаги событий и формирование прерываний

Как видим на рисунке 1, прерывания сгруппированы в четыре группы:

• Transmit interrupt  (Прерывание при передаче сообщения) — может быть вызвано следующими событиями:

— Выполнена передача и освобожден mailbox 0. Бит RQCP0 в регистре CAN_TSR установлен;
— Выполнена передача и освобожден mailbox 1. Бит RQCP1 в регистре CAN_TSR установлен;
— Выполнена передача и освобожден mailbox 2. Бит RQCP2 в регистре CAN_TSR установлен.

• FIFO0 interrupt (Прерывание связанное с входящим буфером FIFO0) — вызывается по следующим событиям:

— Прием нового сообщения, биты FMP0 в регистре CAN_RF0R не равны «00». В принципе значение этого регистра говорит нем о том, сколько сообщений в буфере FIFO еще не обработано программой;
— Буфер FIFO0 заполнен. Бит FULL0  в регистре CAN_RF0R установлен — сообщает нам о том, что в буфере FIFO0 больше нет свободного места;
— Переполнение буфера FIFO0. Бит FOVR0 в регистре CAN_RF0R установлен — возникает в случае когда буфер FIFO0 заполнен и по шине принято еще одно сообщение. Что с этим сообщением произойдет, мы указываем в настройках инициализации CAN (параметр CAN_RFLM).

• FIFO1 interrupt (Прерывание связанное с входящим буфером FIFO1) — вызывается по следующим событиям:

— Прием нового сообщения, биты FMP1 в регистре CAN_RF1R не равны «00». В принципе значение этого регистра говорит нем о том, сколько сообщений в буфере FIFO еще не обработано программой;
— Буфер FIFO1 заполнен. Бит FULL1  в регистре CAN_RF0R установлен — сообщает нам о том, что в буфере FIFO1 больше нет свободного места;
— Переполнение буфера FIFO1. Бит FOVR1 в регистре CAN_RF0R установлен — возникает в случае когда буфер FIFO1 заполнен и по шине принято еще одно сообщение. Что с этим сообщением произойдет, мы указываем в настройках инициализации CAN (параметр CAN_RFLM).

 • Error and Status change Interrupt (Прерывание по возникновению ошибок и изменению состояния bxCAN) — вызывается по следующим событиям:

— Возникновение ошибки. Информация об ошибке хранится в регистре CAN Error (CAN_ESR);
— «Просыпание» контроллера — выход из режима сна, когда на Rx появился сигнал CAN шины;
— Переход в спящий режим.

Четвертая группа отвечает за прерывания не только ошибок, но, как видно из названия, и за изменения статуса (режима) bxCan. 

Регистры

Полное описание регистров bxCan я приведу в отдельной статье, здесь же мы коснемся лишь некоторых из них, которые непосредственно рассматриваются в рамках данной статьи.

Для того, чтобы мы смогли программно обработать прерывания bxCan, необходимо изучить регистры микроконтроллера, которые непосредственно связаны с этими прерываниями. Разработчики ST Microelectronix постарались для нас и большинство функционала для работы CAN шины возложили на аппаратную часть микроконтроллера, но все же нам придется выполнить некоторые действия самостоятельно.

За обработку ошибок, включение/выключение прерываний CAN шины, а также за информацию о текущем статусе шины и ошибок в bxCan отвечают шесть регистров, которые мы сейчас и изучим:

CAN master status register (CAN_MSR)

Один из основных регистров bxCAN. Он отображает текущее состояние CAN устройства и позволяет программному обеспечению контролировать более детально работу bxCan. 
В большинстве случаев нет необходимости досконально контролировать аппаратную часть, сама bxCan превосходно с этим справляется, но в некоторых случаях будет полезно понимать предоставленные нам возможности и инструменты.

CAN Master Status Register предоставляет нам информацию о том, в каком состоянии находится bxCan и сообщает нам о прерываниях, если они установлены.

Рис. 2. CAN master status register.

Address offset: 0x04
Reset value: 0x0000 0C02

CAN transmit status register (CAN_TSR)

Этот регистр позволяет нам узнать текущее состояние передачи данных в шину. Из него мы можем получить информацию о количестве исходящих сообщений, заполненности почтовых ящиков, узнать о том, отправлено ли нами сообщение или произошла ошибка, а также позволяет нам прервать отправку пакета, если мы почему-то передумали это делать.

Рис. 3. CAN transmit status register.

Address offset: 0x08
Reset value: 0x1C00 0000

Как правило необходимости напрямую обращаться к этому регистру у нас не будет — можно полностью доверится bxCan. Я вижу потребность в его чтении только в очень сложных проектах, где часть функционала ложится не только на аппаратную часть, но и на программную. Также может потребоваться в случаях, когда необходимо использовать парсер CAN-шины — необходимо более детальное изучение ошибок передачи данных, логирование всего и вся.

Для обработки прерываний передачи сообщений необходимо разрешить прерывание при отправке почтового сообщения (CAN_IT_TME) и, соответственно, добавить это обработчик этого прерывания в тело программы (USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler()).

CAN receive FIFO 0 register (CAN_RF0R)

Первый из двух регистров, отвечающих за буфер входящих сообщений FIFO 0.

Из этого регистра мы можем узнать количество почтовых сообщений, а также текущее состояние буфера FIFO 0.

Рис. 4. CAN receive FIFO 0 register.

Address offset: 0x0C
Reset value: 0x0000 0000

Обработка прерываний для буфера FIFO 0 происходит в функции USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(). В ней необходимо обработать получение почтовых сообщений, а также проверить состояние ошибок (заполнение или переполнение буфера FIFO 0). Естественно, необходимо включить эти прерывания при настройке bxCan.

Необходимо помнить, что биты FOVR0 и FULL0 сбрасываются вручную. 

CAN receive FIFO 1 register (CAN_RF1R)

А это второй регистр, предназначенный для чтения состояния буфера входящих сообщений, но уже для FIFO 1.

Из него мы также можем почерпнуть информацию о  том, сколько сообщений у нас хранится и текущий статус самого буфера FIFO 1.

Рис. 5. CAN receive FIFO 1 register.

Address offset: 0x10
Reset value: 0x0000 0000

Для обработки прерываний для буфера FIFO 1 необходимо включить обработку этих прерываний при настройке bxCan и вставить в модуль функцию CAN1_RX1_IRQHandler(). Также как и с буфером FIFO 0, мы можем в обработчике прерываний выполнить обработку получения почтового сообщения в буфер FIFO 1, а также проверить состояние ошибок буфера и сбросить их после обработки.

Также напомню о необходимости сбрасывать биты FOVR1 и FULL1 вручную.

CAN interrupt enable register (CAN_IER)

Мы добрались до регистра, который непосредственно отвечает за включение прерываний bxCAN. Установив необходимые нам биты, мы сможем выполнить обработку прерываний. Напомню, что включение прерываний само по себе недостаточно, необходимо еще и включить сами прерывания и добавить их обработчики в тело программы, иначе наша программа при возникновении прерывания перейдет в прерывание по умолчанию и просто «зависнет». Но об этом поговорим чуть ниже, где я приведу несколько примеров.

Итак, нам необходимо включить прерывания. Сделать это мы можем установив соответствующие биты в регистре CAN interrupt enable register (CAN_IER).

Рис. 6. CAN interrupt enable register.

Address offset: 0x14
Reset value: 0x0000 0000

Если Вы новичок и только начинаете изучать протокол CAN  и его использование на микроконтроллерах семейства STM32, то можно ограничиться одним прерыванием FMPIE0 (FIFO 0 message pending interrupt) и TMEIE (Transmit mailbox empty interrupt), которые отвечает за обработку получения входящего пакета в буфер FIFO 0, а также за обработку окончания отправки пакета в шину соответственно. Для первоначального изучения и тестирования этого вполне хватит, а дальше уже требуется более глубокое понимание физики процессов и специфики работы CAN шины.

CAN error status register (CAN_ESR)

Регистр отвечает за состояние ошибок при работе с bxCan.

Управление ошибками, как описано в протоколе CAN, обрабатывается полностью аппаратными средствами с помощью счетчиков ошибок передачи (TEC — Transmit error counter) и счетчиков ошибок приема сообщений (REC — Receive error counter), которые увеличивают или уменьшают свое значение в соответствии с состоянием ошибки.

Оба счетчика могут быть прочитаны с помощью программного обеспечения, чтобы определить стабильность сети.

Кроме того, аппаратное обеспечение может предоставлять более подробную информацию о текущем состоянии ошибок (LEC — Last error code).

Рис. 7. CAN error status register.

Address offset: 0x18
Reset value: 0x0000 0000

Согласно описанию протокола CAN принято увеличивать счетчик ошибок REC (Receive error counter) на одну единицу при каждой обнаруженной ошибке приема на шине, а счетчик ошибок TEC (Transmit error counter) увеличивать на 8 при каждой ошибке передачи пакетов. Это связано стем, что существует предположение о том, что с наибольшей вероятностью источником ошибок на шине является передающий узел. 

Уменьшение счетчика ошибок происходит автоматически на единицу при каждом успешном приеме или передаче сообщений по шине для счетчиков REC и TEC соответственно.

Восстановление BUS-OFF

Состояние шины Bus-Off устанавливается, когда счетчик ошибок передачи превышает 255, при этом устанавливается бит BOFF регистра CAN_ESR. В этом режиме bxCan фактически перестает принимать и передавать пакеты по шине.

При настройке bxCAN можно установить бит ABOM, который отвечает за то, что если шина перейдет в режим Bus-off, то bxCan автоматически начнет проверять сигнал CAN_RX для восстановления шины. Если бит ABOM не установлен, то разработчику необходимо контролировать этот процесс самостоятельно и в случае возникновения ошибки и перехода в режим Bus-off необходимо заново проинициализировать bxCan.

Обратите внимание, что bxCan слушает порт CAN_RX только в нормальном режиме работы. Если bxCan находится в режиме инициализации, то автоматического восстановления шины не произойдет.

Долгое время не мог понять, что это за 11 рецессивных бит 128 раз подряд и где их необходимо взять и куда подать. Путем гугления и раскурки мануалов понял, что это указывается время, через которое контроллер CAN шины автоматически выйдет из режима Bus-Off и оно равно времени, которое потребуется для передачи 11 рецессивных бит 128 раз подряд.

Другими словами, контроллер автоматически выйдет из режима Bus-Off, когда на CAN шине будет «тишина» в течении времени, равному времени передачи 11 бит * 128 раз. Естественно, если в настройках контроллера мы ему указали, что он может автоматически выходить из этого режима (установлен бит ABOM регистра CAN_MCR).

Практика

Вроде все моменты, которые касаются обработки прерываний bxCan мы рассмотрели. Текста очень много, но как это применить на практике?

Давайте разбираться.

Для начала нам необходимо определится с тем, какие прерывания bxCan мы будем использовать. Конечно можно ограничиться прерыванием на получение сообщения в буфер FIFO, но мы же не ищем легких путей, поэтому проинициализируем сразу все.

За включение/отключение прерываний bxCan отвечает функция CAN_ITConfig, эти действия выполняются в модуле инициализации can шины совместно с настройкой прерываний NVIC:

Листинг №1. Включение прерываний bxCan
	// CAN Transmit mailbox empty Interrupt enable
	// Обрабатывается в прерывании USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_TME, ENABLE);         // Прерывание при освобождении исходящего почтового ящика
	// CAN Receive Interrupt enable
	// Обрабатывается в прерывании USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FMP0, ENABLE);        // Прерывание получения пакета в буфер FIFO 0
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FF0, ENABLE);         // Прерывание при заполнении буфера FIFO 0
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FOV0, ENABLE);        // Прерывание при переполнении буфера FIFO 0
 
	// Обрабатывается в прерывании CAN1_RX1_IRQHandler
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FMP1, ENABLE);        // Прерывание получения пакета в буфер FIFO 1
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FF1, ENABLE);         // Прерывание при заполнении буфера FIFO 1
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FOV1, ENABLE);        // Прерывание при переполнении буфера FIFO 1
 
	// CAN Operating Mode Interrupt enable
	// Обрабатывается в прерывании CAN1_SCE_IRQHandler
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_WKU, ENABLE);         // Прерывание при "пробуждении" - выход из "спящего" режима
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_SLK, ENABLE);         // Прерывание при переходе в "спящий" режим
 
	// CAN Error Interrupts
	// Обрабатывается в прерывании CAN1_SCE_IRQHandler
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_EWG, ENABLE);         // Error warning Interrupt (error counter >= 96)
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_EPV, ENABLE);         // Error passive Interrupt (error counter > 127)
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_BOF, ENABLE);         // Bus-off Interrupt (error counter > 255)
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_LEC, ENABLE);         // Last error code - при возникновении ошибок приема-передачи
	CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_ERR, ENABLE);         // Прерывание при возникновении ошибок bxCan


	// NVIC Configuration
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

	// Enable CAN1 TX0 interrupt IRQ channel
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USB_HP_CAN1_TX_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

	// Enable CAN1 RX0 interrupt IRQ channel
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USB_LP_CAN1_RX0_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

	// Enable CAN1 RX1 interrupt IRQ channel
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = CAN1_RX1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

	// Enable CAN1 SCE (Status Change Error) interrupt IRQ channel
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = CAN1_SCE_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

После того, как с помощью функции CAN_ITConfig() мы проинициализировали необходимые нам прерывания, необходимо включить обработчики этих прерываний. Делается это через NVIC. Если мы забудем хотя бы одно из них включить, то микроконтроллер при возникновении прерывания, которое мы забыли обработать, выкинет нас в стандартный обработчик прерываний и просто зависнет. Поможет только перезагрузка процессора, так как он будет сидеть в «вечном» цикле и ни на что больше реагировать не будет.

А теперь, чтобы этого не произошло, нам необходимо вставить в наш программный код функции обработки прерываний. Всего их четыре: прерывание при освобождении исходящего почтового ящика, два прерывания для буферов FIFO 1 и 2, а также прерывание по обработке ошибок и входа/выхода в «режим сна».

Обработка прерываний при освобождении исходящего почтового ящика

За обработку прерывания при освобождении исходящего почтового ящика отвечает функция USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler(). Нам необходимо проверить флаг прерывания и, если он установлен, сбросить его и выполнить код обработки прерывания:

Листинг №2. Обработка прерываний bxCan для исходящего почтового ящика
void USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler(void)
{
	// CAN Transmit mailbox empty Interrupt enable
	// Обработаем прерывания при освобождении исходящего почтового ящика
	if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_TME)==SET) {       // Прерывание при освобождении исходящего почтового ящика
		CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_TME);
   
		// Вставляем свой код по обработке прерывания
	}
}

Функция CAN_GetITStatus() возвращает текущее состояние флага прерывания, значение может быть равным SET или RESET («Установлен» или «сброшен» соответственно). Значение SET говорит нам о том, что бит установлен и нам необходимо обработать это прерывание и не забыть сбросить его флаг.

Следует помнить о том, что необходимо всегда производить сброс флага прерывания, иначе оно будет вызываться постоянно. Исключение составляют только флаги прерываний ошибок, они почти все сбрасываются аппаратно, подробнее можно посмотреть в описании функции CAN_ClearITPendingBit().

Проверять освобождение исходящего почтового ящика имеет смысл, если Вы пересылаете большой объем данных по Can-шине: при обработке отправки сообщения выставляется флаг отправки сообщения, а в прерывании проверяется была выполнена отправка данных или нет. Если отправка была завершена без ошибок, то устанавливаем в флаг значение без ошибок и отправляем следующий пакет данных, иначе устанавливаем в флаг код ошибки и обрабатываем ее в модуле программы.

Несмотря на то, что исходящих почтовых ящиков у нас три, проверять отправку сообщений я все же рекомендую, иначе вполне вероятны ситуации, когда в результате проигрыша арбитража или возникновении ошибок на линии bxCan не сможет отправить сообщения, а мы в этот момент, не проверив статус отправки, будем давать ему новые на отправку. Возникнет сбой, который нам не нужен.

Проверить статус отправки сообщения можно не только с помощью прерываний, но и в момент отправки сообщения (это наверное самый оптимальный вариант):

Листинг №3. Отправка сообщения с проверкой статуса отправки
	uint32_t i = 0;
	uint8_t TransmitMailbox = 0;
	
	...
	
	TransmitMailbox = CAN_Transmit(CAN1, &TxMessage);
	i = 0;
	while ((CAN_TransmitStatus(CAN1, TransmitMailbox) != CANTXOK) && (i != 0xFF)) 	{
		i++;
	}

При передаче сообщения через функцию CAN_Transmit, она нам возвращает номер исходящего почтового ящика, в который помещено сообщение. Затем мы в цикле проверяем, отправил ли bxCan наше сообщение или нет. Если отправка прошла успешно, то статус отправки сообщения из почтового ящика будет равен CANTXOK.

По окончанию цикла while() проверяем значение переменной «i». Если оно у нас равно 0xFF, значит отправка не удалась и тут мы уже думаем что сделать: то ли сбросить отправку сообщения, то ли обработать ошибку.

Вообщем все на усмотрение разработчика.

Обработка прерываний входящего буфера сообщений FIFO 0

За прерывания для входящего буфера сообщений FIFO 0 отвечают флаги CAN_IT_FMP0, CAN_IT_FF0 и CAN_IT_FOV0.

Таб. 1. Прерывания  буфера FIFO 0

Заполнение, а тем более переполнение буфера входящих сообщений говорит о том, что Ваша программа не успевает их обрабатывать. Здесь уже необходимо искать причину в организации работы CAN шины и поиграться с установкой фильтров сообщений.

Фильтры помогут на аппаратном уровне отсеивать пакеты с ненужными нам данными, чтобы не тратить время и ресурсы процессора на обработку ненужной информации. Подробнее работу с фильтрами я описал в статье STM32. Почтовые ящики. Фильтры пакетов CAN.

Действия по обработке данных прерываний возлагаются на разработчика и описываются в функции USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler().

Листинг №4. Обработка прерываний bxCan для буфера FIFO 0
void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{
	CanRxMsg RxMessage;
	
	// CAN Receive Interrupt enable FIFO 0
	// Обработаем прерывания приемного буфера FIFO 0
	if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_FMP0) == SET) {                   // Прерывание получения пакета в буфер FIFO 0
		// Флаг сбрасывается автоматически после прочтения последнего сообщения
   
		// Обнулим данные пакета
		RxMessage.DLC =     0x00;
		RxMessage.ExtId =   0x00;
		RxMessage.FMI =     0x00;
		RxMessage.IDE =     0x00;
		RxMessage.RTR =     0x00;
		RxMessage.StdId =   0x00;
		RxMessage.Data [0] = 0x00;
		RxMessage.Data [1] = 0x00;
		RxMessage.Data [2] = 0x00;
		RxMessage.Data [3] = 0x00;
		RxMessage.Data [4] = 0x00;
		RxMessage.Data [5] = 0x00;
		RxMessage.Data [6] = 0x00;
		RxMessage.Data [7] = 0x00;
		
		CAN_Receive(CAN1, CAN_FIFO0, &RxMessage);                   // Получим сообщение
   
		// Вставляем любой свой код обработки входящего пакета
   
		}
   
	if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_FF0)==SET) {                       // Прерывание при заполнении буфера FIFO 0
		CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_FF0);
		
		// Вставляем свой код по обработке прерывания
 		
		// Не забываем после обработки сбросить флаг ошибки
		CAN_ClearFlag(CAN1, CAN_FLAG_FF0);
	}
	
	if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_FOV0)==SET) {                      // Прерывание при переполнении буфера FIFO 0
		CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_FOV0);
		
		// Вставляем свой код по обработке прерывания
   
		// Не забываем после обработки сбросить флаг ошибки
		CAN_ClearFlag(CAN1, CAN_FLAG_FOV0);
	}
}

Следует обратить внимание на то, что функция USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler() предназначена как для обработки прерываний bxCan так и для обработки прерываний USB. Если Вы будете использовать USB в своем проекте, то нужно внимательно подойти к этому моменту, чтобы правильно обрабатывать сообщения для каждого устройства.

Обратите внимание, что в обработчике прерываний мы сбрасываем не только флаг прерывания, но также сбрасываем флаг ошибки bxCan. Это немного (точнее очень много) разные вещи: флаг прерывания отвечает за то, что мы попадем в обработчик прерывания при его установке и если его не сбросить, то мы можем сидеть вечно в этом обработчике. А флаг ошибки сигнализирует нам о том, что есть ошибка и его нужно снять после того, как мы обработали эту ошибку. Соответственно, если по какой-либо причине мы ее не обработали — этот флаг снимать не следует.

Напомню, что часть флагов прерываний (и ошибок) снимаются автоматически, здесь нужно внимательно изучать руководство.

Обработка прерываний входящего буфера сообщений FIFO 1

За прерывания для входящего буфера сообщений FIFO 1 отвечают флаги CAN_IT_FMP1, CAN_IT_FF1 и CAN_IT_FOV1. Описание и действие аналогично с обработкой прерывания для буфера FIFO 0.

Таб. 2. Прерывания  буфера FIFO 1

В отличии от буфера FIFO 0, обработка этих прерываний происходит в функции CAN1_RX1_IRQHandler().

Листинг №5. Обработка прерываний bxCan для буфера FIFO 1
void CAN1_RX1_IRQHandler(void)
{
	CanRxMsg RxMessage;
   
	// CAN Receive Interrupt enable FIFO 1
	// Обработаем прерывания приеного буфера FIFO 1
	if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_FMP1) == SET) {              // Прерывание получения пакета в буфер FIFO 1
		// Флаг сбрасывается автоматически после прочтения последнего сообщения
   
		// Обнулим данные пакета
		RxMessage.DLC =     0x00;
		RxMessage.ExtId =   0x00;
		RxMessage.FMI =     0x00;
		RxMessage.IDE =     0x00;
		RxMessage.RTR =     0x00;
		RxMessage.StdId =   0x00;
		RxMessage.Data [0] = 0x00;
		RxMessage.Data [1] = 0x00;
		RxMessage.Data [2] = 0x00;
		RxMessage.Data [3] = 0x00;
		RxMessage.Data [4] = 0x00;
		RxMessage.Data [5] = 0x00;
		RxMessage.Data [6] = 0x00;
		RxMessage.Data [7] = 0x00;
   
		CAN_Receive(CAN1, CAN_FIFO1, &RxMessage);               // Получим сообщение
   
		// Вставляем любой свой код обработки входящего пакета
   
	}
   
	if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_FF1)==SET) {                   // Прерывание при заполнении буфера FIFO 1
		CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_FF1);
   
		// Вставляем свой код по обработке прерывания
   
		// Не забываем после обработки сбросить флаг ошибки
		CAN_ClearFlag(CAN1, CAN_FLAG_FF1);
	}

	if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_FOV1)==SET) {                  // Прерывание при переполнении буфера FIFO 1
		CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_FOV1);

		/ Вставляем свой код по обработке прерывания
   
		// Не забываем после обработки сбросить флаг ошибки
		CAN_ClearFlag(CAN1, CAN_FLAG_FF1);
	}
}

Обработчик для буфера FIFO 1 ничем не отличается от обработчика для буфера FIFO 0, разница есть только в наименовании функции обработчика и флагов, которые мы проверяем. Наполнение буфера FIFO 1 (как и FIFO 0) зависит исключительно от настроек фильтрации пакетов и в них же указывается какие сообщения в какой буфер будут попадать.

Подробно я о фильтрах рассказывал в статье STM32. Почтовые ящики. Фильтры пакетов CAN.

В своем проекте управления умным домом я с помощью фильтрации разделяю управляющие пакеты и пакеты с данными по разным буферам: сообщения данных попадают исключительно в буфер FIFO 0, а системные и приоритетные сообщения я помещаю в буфер FIFO 1.

Если у Вас нет задачи такой фильтрации сообщений, то можно вполне обойтись одним буфером FIFO 0  и в принципе не использовать буфер FIFO 1 (или наоборот, роли никакой не играет). Для большинства задач это будет вполне достаточно и сэкономит Вам несколько сотен байт прошивки.

Обработка прерываний по ошибкам и «спящему» режиму

Обработчик прерываний ошибок bxCan позволяет нам определить насколько стабильно работает наше устройство с протоколом CAN и вовремя принять меры для достижения максимально стабильного режима работы.

За обработку ошибок отвечают следующие флаги:

Таб. 3. Прерывания ошибок и режима шины

Прерывание по флагам CAN_IT_WKU и CAN_IT_SLK срабатывают при входе или выходе в/из спящего режима. При этом флаг CAN_IT_ERR не устанавливается. А если же срабатывает прерывание по флагам CAN_IT_EWG, CAN_IT_EPV, CAN_IT_BOF или CAN_IT_LEC, то одновременно с ними устанавливается и флаг CAN_IT_ERR.

Флаги CAN_IT_EWG, CAN_IT_EPV и CAN_IT_BOF предназначены для контроля количества ошибок приема передачи по шине. Механизм bxxCan не только увеличивает счетчик ошибок, например когда на линии возникает помеха и счетчик ошибок увеличивается, но и уменьшает его, когда работа шины нормализуется. Флаги CAN_IT_EWG и CAN_IT_EPV являются предупреждающими о том, что идет рост ошибок и необходимо выявить причину их возникновения, а вот флаг CAN_IT_BOF нам сообщает, что счетчик ошибок достиг своего максимума и шина перешла в режим Bus-off. Выход из этого режима может произойти автоматически (при получении 128 раз 11 рецессивных бит подряд по шине) или принудительно — заново проинициализировав bxCan.

Напомню, что за автоматический выход из режима Bus-Off отвечает бит ABOM в регистре CAN_MCR. Рекомендую его устанавливать в Ваших проектах, тогда bxCan этот функционал возьмет на себя.

Флаг CAN_IT_LEC срабатывает, когда происходит ошибка приема или передачи пакета, при его обработке мы можем узнать последнюю ошибку шины или устройства.

С тем что обрабатывать — мы определились, теперь необходимо вставить в программный модуль и саму функцию обработки прерываний ошибок CAN1_SCE_IRQHandler().

В ней мы сформируем шаблон обработки исключений, возникающих при работе bxCan:

Листинг №6. Обработка прерываний засыпания/пробуждения и ошибок bxCan
void CAN1_SCE_IRQHandler(void)
{
	uint8_t errorcode = 0;

	if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_ERR)==SET)    {                   // Прерывание при возникновении ошибки
		CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_ERR);

		// CAN Error Interrupts
		// Обработка прерываний по ошибке
		if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_EWG)==SET) {              // Error warning Interrupt (счетчик ошибок >= 96)
			CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_EWG);

			// Вставляем свой код по обработке прерывания
		}
   
		if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_EPV)==SET) {              // Error passive Interrupt  (счетчик ошибок > 127)
			CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_EPV);

			// Вставляем свой код по обработке прерывания
		}
   
		if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_BOF)==SET) {              // Bus-off. Прерывание при переполнении счетчика ошибок (>255)
			CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_BOF);           // bxCan уходит в режим Bus-OFF

			// Вставляем свой код по обработке прерывания
		}
   
		if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_LEC)==SET) {              // Прерывание при ошибке приема передачи сообщения
			CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_LEC);
			errorcode = CAN_GetLastErrorCode(CAN1);            // Получим код ошибки
   
			// Вставляем свой код по обработке прерывания

			// Не забываем после обработки сбросить флаг ошибки
			CAN_ClearFlag(CAN1, CAN_FLAG_LEC);
		}

	} else {

		// CAN Operating Mode Interrupt
		// Обработка прерываний по режимам сна/пробуждения
		if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_WKU)==SET) {             // Прерывание при "пробуждении" - выход из "спящего" режима
			CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_WKU);

			// Вставляем свой код по обработке прерывания
   
			// Не забываем после обработки сбросить флаг ошибки
			CAN_ClearFlag(CAN1, CAN_FLAG_WKU);
		}

		if (CAN_GetITStatus(CAN1, CAN_IT_SLK)==SET) {             // Прерывание при переходе в "спящий" режим
			CAN_ClearITPendingBit(CAN1, CAN_IT_SLK);

			// Вставляем свой код по обработке прерывания
   
			// Не забываем после обработки сбросить флаг ошибки
			CAN_ClearFlag(CAN1, CAN_FLAG_SLAK);
		}
	}
}

Также как мы сбрасываем флаги прерываний, нам необходимо сбрасывать и флаги ошибок после их обработки. Но если обратить внимание на описание регистров, то мы видим, что часть флагов ошибок сбрасываются автоматически аппаратными средствами bxCan, а часть мы должны очищать вручную. Вот и сейчас при обработке ошибок мы можем сбросить только флаги CAN_IT_LEC, CAN_IT_WKU и CAN_IT_SLK, а остальные флаги ошибок в данном обработчике прерываний сбрасываются автоматически.

Не стоит забывать и о том, что перед сбросом флага ошибки мы должны ее (ошибку) обработать и уже потом менять флаг.

Еще стоит обратить внимание на обработку прерывания CAN_IT_LEC (Last Error Code), которая появляется при возникновении ошибок ввода-вывода.

В обработчике  с помощью функции CAN_GetLastErrorCode() мы заполняем переменную errorcode данными о последней ошибке. Она может принимать следующие значения:

 Таб. 4. Виды ошибок, возвращаемые при вызове функции CAN_GetLastErrorCode()

Таким образом, обрабатывая флаг CAN_IT_LEC и изучая ошибки, которые происходят при работе с CAN, мы можем заблаговременно выявить причину и предпринять некоторые действия для того, что бы предотвратить рост ошибок и сваливание CAN контроллера в режим Bus-Off.

Заключение

В этой статье я постарался подробно описать механизмы обработки прерываний bxCan, а также механизмы связанные с обработкой ошибок и методы по их сокращению. Напомню, что все тестирование кода производилось на базе микроконтроллера STM32F103C6.

Вполне вероятно, что я что-то упустил, где то наоборот ошибся и был не точен. Поэтому если есть какие-либо замечания и/или предложения к статье — добро пожаловать в комменты и я исправлюсь.

Как обычно, во вложениях весь исходный код, который рассматривается в рамках данной статьи. Но в отличие от предыдущих постов, исходный код для этой статьи представляет собой некий шаблон, который предполагается использовать в разных проектах.

З.Ы. Простите за много букафф )))

Last modified: Wednesday, 22 September 2021, 4:09 PM

Полевая шина CAN (Controller Area Network) характеризуется высокими скоростью передачи данных и помехоустойчивостью, а также способностью обнаруживать любые возникающие ошибки. Не удивительно, что благодаря этому CAN сегодня широко используется в таких областях, как автомобильный и железнодорожный транспорт, промышленная автоматика, авиация, системы доступа и контроля. По данным ассоциации CiA (CAN in Automation, www.can-cia.de), в настоящее время в эксплуатации находится около 300 млн CAN-узлов по всему миру. В Германии CAN-шина занимает первое место по популярности среди остальных полевых шин. В данной статье приводится общее описание и технические характеристики CAN-шины и описывается логика ее работы. Кроме того, приводится описание встроенных модулей CAN, автономных контроллеров на примере микроконтроллеров (МК) Infineon, трансиверов и дросселей. Рассматриваются средства разработки устройств с CAN-шиной.

Общая тенденция в области автоматизации состоит в замене традиционной централизованной системы управления на распределенное управление путем размещения интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов рядом с управляемым процессом. Это вызвано ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений, сложностью диагностики ошибок и проблемами с надежностью. Связь между узлами такой системы осуществляется с помощью полевой шины. CAN — это система связи для многоконтроллерных систем. Рассмотрим более подробно преимущества CAN и причины, по которым CAN приобретает все большее распространение.

Испытанный стандарт. Протокол CAN активно используется уже более 20 лет, что очень важно для таких консервативных областей как железнодорожный транспорт или судостроение. CAN был разработан в 1980 г. фирмой Robert Bosch для автомобильной промышленности. CAN-интерфейс регламентирован международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных и ISO 11519-1 для низкоскоростных приложений.Низкая стоимость определяется хорошим соотношением цена/производительность, также широкой доступностью CAN-контроллеров на рынке.Надежность определяется линейной структурой шины и равноправностью ее узлов, так называемой мультимастерностью (Multi Master Bus), при которой каждый узел CAN может получить доступ к шине. Любое сообщение может быть послано одному или нескольким узлам. Все узлы одновременно считывают с шины одну и ту же информацию, и каждый из них решает, принять данное сообщение или игнорировать его. Одновременный прием очень важен для синхронизации в системах управления. Отказавшие узлы отключаются от обмена по шине.

Высокая помехоустойчивость достигается благодаря подавлению синфазных помех дифференциальным приемопередатчиком, работе встроенных механизмов обнаружения ошибок (одна необнаруженная ошибка за 1000 лет при ежедневной 8-часовой работе сети на скорости 500 Кбит/с), повтору ошибочных сообщений, отключению неисправных узлов от обмена по шине и устойчивости к электромагнитным помехам.

Гибкость достигается за счет простого подключения к шине и отключения от шины CAN-узлов, причем общее число узлов не лимитировано протоколом нижнего уровня. Адресная информация содержится в сообщении и совмещена с его приоритетом, по которому осуществляется арбитраж. В процессе работы возможно изменение приоритета передаваемого сообщения. Следует также отметить возможность программирования частоты и фазы передаваемого сигнала и арбитраж, не разрушающий структуру сообщений при конфликтах. На физическом уровне есть возможность выбора разнотипных линий передачи данных: от дешевой витой пары до оптоволоконной линии связи.

Работа в реальном времени становится возможной благодаря механизмам сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбит/с), быстрой реакцией на запрос передачи и изменяемой длиной сообщения от 0 до 8 байт.

Приложения CAN

CAN является идеальным решением для любого приложения, где микроконтроллеры обмениваются сообщениями друг с другом и с удаленными периферийными устройствами. Изначально CAN использовался в автомобилях для обеспечения критичного по времени управления и обмена информацией между двигателем и коробкой передач при гарантированном времени ожидания сообщения и допуске каждого из участников сети к работе с текущими данными. Наряду с достаточно дорогими высокоскоростными решениями существуют и экономичные решения для подключения к сети инерционных устройств, которые работают в шкале времени сотен микросекунд (система управления дверьми, подъемник окна, управление зеркалом). При этом мощные жгуты электрических проводов заменяются двухпроводной CAN-сетью, узлами которой являются, в том числе, тормозные огни и указатели поворота.

Широкое применение CAN нашел в промышленной автоматике, где имеется большое число устройств управления, датчиков, механизмов, электроприводов и других объектов, которые связаны единым технологическим циклом (системы отопления и кондиционирования, насосы, конвейеры, лифты, эскалаторы, транспортеры и т. д.). Важной особенностью таких систем является возможность диагностики и управления объектами, расположенными на большой территории, по адаптивным алгоритмам. В результате достигается существенное уменьшение потребляемой мощности, шума, износа оборудования. Подобная картина наблюдается и в железнодорожных бортовых системах, где решающую роль играет обмен данными между подсистемами при наборе скорости, торможении, управлении дверьми и диагностике.

Физический уровень

Физический уровень CAN-шины представляет собой соединение «монтажное И» между всеми устройствами, подключенными к ней. Дифференциальные сигнальные линии называются CAN_H и CAN_L и в статическом состоянии находятся под потенциалом 2,5 В. Лог. 1 (рецессивный бит) обозначает состояние шины, при котором уровень на линии CAN_H выше, чем уровень CAN_L. При лог. 0 (доминантный бит) уровень на линии CAN_H ниже, чем уровень CAN_L. Принято следующее соглашение о состоянии шины: пассивное состояние шины соответствует уровню лог. 1, а активное — уровню лог. 0. Когда сообщения не передаются по шине, она находится в пассивном состоянии. Передача сообщения всегда начинается с доминантного бита. Логика работы шины соответствует «проводному И»: доминантный бит «0» подавляет рецессивный бит «1» (рис. 1).

Рис. 1. Логика работы CAN шины

При физической реализации конкретного проекта с CAN необходимо определить свойства шины и ее узлов: где располагаются обрабатывающие устройства, какими свойствами они обладают, какие датчики и исполнительные механизмы присутствуют в системе, являются они интеллектуальными или нет, что можно сказать об их физическом расположении. В зависимости от условий эксплуатации могут использоваться однопроводная линия (в пределах печатной платы), двухпроводная линия, витая пара или волоконно-оптическая линия. При дифференциальном методе формирования сигналов двухпроводная линия позволяет значительно повысить помехоустойчивость. При использовании дифференциальных напряжений CAN-сеть продолжает функционировать в чрезвычайно шумной среде или при обрыве одной из сигнальных линий. Даже при простой витой паре дифференциальные входы CAN эффективно нейтрализуют шум.

Максимальная скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с при длине шины 40 м и около 40 Кбит/с при длине шины 1000 м.

Арбитраж узлов CAN-шины

CAN имеет много уникальных свойств, отличающих его от других шин. В протоколе CAN осуществляется посылка сообщений по общей CAN-шине, при этом отсутствуют адреса отправителя и получателя сообщения. Каждый узел постоянно «просматривает» шину и осуществляет локальную фильтрацию при приеме, используя битовые маски, и решает, какие сообщения извлекать из шины.

В результате узел принимает и обрабатывает только те сообщения, которые предназначены именно для него.

Каждое сообщение имеет свой приоритет, значение которого содержится в идентификаторе сообщения. Кроме того, идентификаторы используются для обозначения типа сообщения. Сообщению с младшим номером идентификатора соответствует высший приоритет; наивысшим приоритетом обладает сообщение с идентификатором, состоящим полностью из нулей. Передача сообщения начинается с отправки на шину идентификатора. Если доступ к шине требуют несколько сообщений, то сначала будет передано сообщение с наиболее высоким приоритетом, то есть с меньшим значением идентификатора, независимо от других сообщений и текущего состояния шины. Каждый узел перед передачей сообщения проверяет, работает ли узел с более высоким приоритетом. Если да, то он возвращается в состояние приемника и пытается передать сообщение в другое время. Это свойство имеет особое значение при использовании в системах управления реального времени, поскольку значение приоритета жестко определяет время ожидания.

Если передача узла А приостанавливается узлом B, посылающим сообщение с более высоким приоритетом, то, как только шина освободится, будет сделана другая попытка передачи сообщения от узла A. Этот принцип получил название CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (общий доступ с опросом/предотвращение конфликтов). Такой режим в отличие от Ethernet не позволяет конфликтующим узлам в шине выяснять отношения, а сразу выявляет победителя и сокращает время обмена.

Итак, благодаря арбитражу шины сообщение с высшим приоритетом передается первым, обеспечивая функционирование системы в реальном масштабе времени и быструю передачу информации. Распределение приоритетов между различными типами сообщений задается разработчиком при проектировании сети.

Формат сообщений

Если не учитывать процедуру повтора сообщения, принятого с ошибкой, существует два вида связи между узлами: один узел передает информацию, а другой получает, или узел A запрашивает узел B о данных и получает ответ.

Рис. 2. Кадр данных (Data Frame)

Для передачи данных служит кадр данных —
Data Frame (рис. 2), который содержит:

• идентификатор, указывающий на тип сообщения («скорость_двигателя», «температура_масла») и на приоритет доступа к шине. Поле идентификатора содержит различное количество бит в зависимости от разновидности протокола: в стандартном формате CAN V2.0A предусмотрен 11-разрядный идентификатор, а в расширенном CAN V2.0B — 29-разрядный;
• поле данных, содержащее соответствую-щее сообщение («скорость_двигателя»= 6000 об/мин, «температура_масла»=110 °C) длиной до восьми байт;
• два байта контрольной суммы —
  Cyclic Redundancy Check (CRC) для выявления и коррекции ошибок передачи.

Для запроса информации узел CAN использует кадр запроса данных Remote Frame (рис. 3), который содержит:

• идентификатор, определяющий тип запрашиваемой информации («скорость_ двигателя», «температура_масла») и приоритет сообщения;
• два байта контрольной суммы
  CRC.

Рис. 3. Кадр запроса данных Remote Frame

В этом случае за идентификатором не следуют данные и код длины данных не имеет прямого отношения к количеству байт данных. Узел, которому предложено передать информацию (датчик температуры масла), передает кадр данных, содержащий требуемую информацию. Таким образом, если узел А направляет узлу В кадр запроса с идентификатором «температура_масла», то узел В опрашивает датчик температуры и направляет узлу А кадр данных, содержащий идентификатор «температура_масла» и требуемую информацию.

Дополнительная информация, содержащаяся в кадре, позволяет определить формат и синхронизацию протокола передачи сообщения и тип посылки:

• какое сообщение послано — запрос о данных или собственно данные определяют бит удаленного запроса передачи (RTR для 11-разрядного идентификатора и SRR для 29-разрядного);
• код длины данных, сообщающий, сколько байтов данных содержит сообщение; все узлы принимают кадр данных, но те из них, которым эта информация не нужна, ее не сохраняют;
• для обеспечения синхронизации и контроля кадр содержит поля начала кадра Start of Frame, конца кадра End of Frame и подтверждения Acknowledgement Field;
• вход в режим синхронизации на шине осуществляется первым битом поля Start of Frame, далее синхронизация поддерживается фронтом при смене уровня посылаемых битов;
• используется механизм битстаффинга — вставка дополнительного бита при следующих подряд пяти нулях или единицах.

Обнаружение ошибок

Сигнализация об ошибках происходит путем передачи кадра ошибки Error Frame. Он инициируется любым узлом, обнаружившим ошибку. CAN-контроллеры используют метод статистической обработки ошибок. Каждый узел содержит счетчики ошибок при передаче и приеме Transmit Error Counter и Receive Error Counter. Если передатчик или приемник обнаруживают ошибку, значение соответствующего счетчика увеличивается. Когда значение счетчика превышает некоторый предел, текущая передача прерывается. Узел выдает сигнал об ошибке в виде Error Frame, где выставляет активный доминантный флаг ошибки длиной 6 бит. После этого узел, передача которого была прервана, повторяет сообщение. Ненадежным или частично поврежденным узлам разрешено посылать лишь пассивный рецессивный флаг ошибки.

В CAN существует несколько разновидностей ошибок. Из них три типа на уровне сообщений:

• CRC Error — ошибка контрольной суммы (при несовпадении принятой в поле CRC и вычисленной контрольных сумм).
• Form Error — ошибка формата кадра при несоответствии принятого сообщения формату CAN.
• Acknowledgement Error — ошибка подтверждения приема сообщения, если ни один из узлов не подтвердил правильного получения сообщения.

Кроме того, существует два типа ошибок на битовом уровне:

• Bit Error — обнаружение активным узлом расхождения между посланным в шину уровнем и фактическим значением за счет реализации узлом механизма самоконтроля.
• Stuff Error — наличие в поле сообщения шести следующих подряд бит 0 или 1 (ошибка битстаффинга).

Благодаря этим механизмам обнаружения и коррекции ошибок вероятность пропуска ошибки крайне мала. Например, при скорости 500 Кбит/с, загруженности шины 25 % и использовании в течение 2000 часов в год возникает лишь одна необнаруженная ошибка за 1000 лет. Кроме того, в шине невозможна ситуация блокировки неисправным узлом работы всей сети. Такие узлы обнаруживаются и отключаются от обмена по шине.

Разновидности CAN

В настоящее время доступны различные устройства с CAN-интерфейсом, которые помимо передачи данных из одной точки в другую позволяют реализовать синхронизацию процессов и обслуживание по приоритетам. Более ранние реализации CAN-контроллеров используют кадры с 11-разрядным идентификатором и возможностью адресации до 2048 сообщений и соответствуют спецификации CAN V. 2.0A. Такие контроллеры носят название Basic CAN и характеризуются сильной загруженностью центрального процессора (ЦПУ), так как каждое входящее сообщение запоминается в памяти и ЦПУ решает, нужны ему данные сообщения или нет (рис. 4). Контроллеры Basic CAN содержат один передающий буфер и один или два приемных буфера сообщений. Чтобы послать или получить сообщение, требуется задействовать ЦПУ через прерывания «сообщение_послано» и «сообщение_получено». В результате проверки каждого входящего сообщения загрузка ЦПУ очень велика, что ограничивает реальную скорость обмена по сети. По этой причине такие контроллеры используются в сетях CAN с низкой скоростью обмена и/или малым количеством сообщений.

Рис. 4. Структура контроллера Basic CAN

Большинство выпускаемых сегодня CAN-контроллеров используют расширенные кадры сообщений с идентификатором длиной 29 разрядов, что позволяет адресовать до 536 млн сообщений. Такие контроллеры соответствуют спецификации CAN V. 2.0B (active) и называются контроллеры Full-CAN. В них предусмотрен буфер для нескольких сообщений, причем каждое сообщение имеет свою маску, и фильтрация осуществляется по соответствию идентификатора маске.

В случае Full-CAN ЦПУ максимально разгружено, поскольку не обрабатывает ненужные сообщения (рис. 5). При приеме сообщения с идентификатором, соответствующим маске, оно запоминается в специальной зоне двухпортового ОЗУ, и работа ЦПУ прерывается. Full-CAN имеет также специальный тип сообщения, которое означает: «у кого бы ни находилась эта информация, пожалуйста, пошлите ее сейчас же». Контроллер Full-CAN автоматически прослушивает все сообщения и посылает запрошенную информацию.

Рис. 5. Структура контроллера Full-CAN

До недавнего времени в промышленности был широко распространен Basic CAN с 11-разрядным идентификатором. Этот протокол допускает простую связь между микроконтроллерами и периферийными устройствами при скорости обмена вплоть до 250 Кбит/с. Однако при стремительном удешевлении CAN-контроллеров использование Full-CAN стало оправданным и для связи с медленными устройствами. Если в промышленных приложениях требуется высокоскоростной (до 1 Мбит/с) обмен данными, то непременно следует использовать Full-CAN.

Элементная база для CAN

На самом нижнем уровне CAN-шины находится собственно двухпроводная линия с терминальными резисторами. Далее для повышения помехоустойчивости расположен дифференциальный приемопередатчик — трансивер. На следующем уровне — контроллер со встроенным модулем или автономный модуль CAN, подключаемый к главному контроллеру через параллельный или последовательный порт. Связь с узлами CAN, осуществляющими обмен информацией, ведется через линии портов микроконтроллеров. CAN-контроллеры осуществляют процедуру приема-передачи данных и соединяются с шиной двумя сигналами: RxD для приема с шины и TxD для передачи на шину. Реализация CAN-шины с помощью микроконтроллеров Infineon представлена на рис. 6.

Рис. 6. Реализация CAN-шины с помощью микроконтроллеров Infineon

Микроконтроллеры с CAN-модулем

Одним из факторов, обеспечивших популярность CAN, является богатый выбор и доступная цена элементной базы различных производителей — Infineon, Motorola, Microchip, Philips и др.

В данной статье упор сделан на элементную базу Infineon. Такое решение основано, в частности, на результатах опроса, проводимого на сайте Keil Software (www.keil.com) для микроконтроллерных платформ 8051/251/С166. На вопрос, какой микроконтроллер со встроенным CAN вы используете, по выборке из 2111 респондентов ответы распределились согласно табл. 1.

Таблица 1. Результаты опроса: «Какой микроконтроллер со встроенным CAN вы используете?»

Фирма Infineon выпускает продукты во всех классах цена/производительность. В настоящее время доступны как 8-разрядные контроллеры C505CA, C515C, так и 16-разрядные: C161CS, C164CI, C167CR, 167CS (табл. 2). Самым дешевым кристаллом с CAN является C505CA. МК C161CS и C167СS содержат два CAN-модуля. Самый мощный и дорогой микроконтроллер TriCore TC1775 также содержит реконфигурируемый модуль TwinCAN с двумя модулями CAN на 32 сообщения. TriCore — это первый 32-разрядный микроконтроллер Infineon с архитектурой DSP, оптимизированный для встроенных приложений реального времени, который заменяет собой МК, процессор DSP и заказную микросхему ASIC.Встроенный модуль соответствует спецификации CAN V2.0 B active и содержит память на 15 сообщений для приема/передачи с собственными идентификаторами, битами состояния и управления. Кроме того, он содержит регистры маски для фильтрации входящих сообщений и оснащен двумя приемными буферами. Встроенный модуль CAN позволяет строить системы с разнообразными задачами, используя минимальное количество микросхем внешнего интерфейса. Подключение любого из микроконтроллеров Infineon к CAN-шине осуществляется по одним и тем же принципам. Пример соединения C167CR с CAN-шиной представлен на рис. 7.

Таблица 2. CAN-микроконтроллеры фирмы Infineon

Кроме того, следует сказать также несколько слов о МК фирмы Philips — одного из родоначальников элементной базы CAN. На смену устаревшему автономному CAN-контроллеру Philips PCA82C200 пришел полностью совместимый с ним контроллер SJA1000, работающий со стандартом CAN V2.0 B. Необходимо отметить, что PCA82C200 поддерживает только стандарт CAN V2.0 A и способен передавать и принимать только стандартный CAN-протокол, то есть при приеме расширенного кадра он генерирует ошибку и может разрушить всю сеть. В SJA1000 за счет поддержки стандарта PeliCAN (чтение и запись счетчиков ошибок, программирование их количественного порога) значительно расширены возможности по управлению CAN.

Рис. 7. Пример соединения МК С167CR c CAN-шиной

В результате объединения SJA1000 с ядром XA появился 16-разрядный МК XAC3 с интегрированным CAN-интерфейсом. Совместимый с 8051 режим микроконтроллера Philips XA позволяет осуществить простой переход от 8-разрядной архитектуры 8051 к 16-разрядной, что особенно важно для сохранения преемственности программного обеспечения. Среди 8-разрядных МК следует отметить также Philips P80C592, P8xC591 и 8xCE598.

Motorola тоже предлагает широкий спектр микроконтроллеров с интегрированным CAN-модулем: от самых дешевых 8-разрядных МК 68HC05X до 32-разрядного Power PC MPC555 с дуальным CAN V2.0 B.

Продолжение следует