电路笔记(通信)：CAN 仲裁机制（Arbitration Mechanism） 位级监视&线与特性&先占先得&非破坏性仲裁

CAN总线机制

位级监视（bit monitoring）

位级监视（bit monitoring）：在 CAN 总线通信中，在每一位发送时进行实时总线监控。

• CAN 总线采用 “广播+总线监控” 的方式传输数据。在发送每一位的同时，发送器会实时监控总线上的电平，以确保：

  • 自己发送的位和总线上的实际电平一致；
  • 在多主节点争用总线（仲裁）时，能根据优先级判断输赢。 如果一个节点发送隐性位，但看到总线是显性位，说明有更高优先级的节点正在发送 —— 此时必须停止发送（仲裁失败）。

线与特性（Wired-AND）

• 详细描述可见 电路笔记(元器件)：CAN总线 收发器 SN65HVD233 具有待机模式和环回功能的 3.3V CAN 收发器

仲裁机制

一、先占先得规则（Bus Access Rule）

1. 总线使用原则：

   • 若当前有设备正在发送 数据帧 或 遥控帧，则其他设备 不能同时发送 数据帧或遥控帧。
   • 其他设备可以发送 错误帧 或 过载帧 来中断当前通信（具有破坏性）。

2. 总线空闲判断标准：

   • 当检测到 连续11个隐性电平（逻辑1） 时，认为总线处于空闲状态。
   • 只有在总线空闲时，设备才可以开始发送数据帧或遥控帧。

3. 总线活跃状态下的行为：

   • 一旦有设备开始发送数据帧/遥控帧，总线进入活跃状态。
   • 活跃状态下不会出现连续11个隐性电平，因此其他设备不会尝试发送。
   • 若其他设备在此期间有发送需求，则需等待总线变为空闲后才能尝试发送。

4. 类比操作系统调度算法：

   • 此机制类似于操作系统的 先来先服务（FCFS）调度算法，即谁先请求总线使用权，谁就优先获得发送权。

二、非破坏性仲裁机制（Non-destructive Arbitration）

当多个设备同时发起发送请求时，CAN总线通过以下机制进行仲裁：

1. 仲裁依据：

   • 根据 报文标识符（ID） 进行仲裁。
   • ID号越小，优先级越高。
   • 高优先级的设备赢得仲裁，继续发送；低优先级的设备停止发送，转为接收模式。

2. 仲裁过程特点：

   • 非破坏性：仲裁过程中不会损坏高优先级设备的数据帧。
   • 所有参与仲裁的设备在发送仲裁段的同时监听总线电平。瑞萨电子的《CAN入门书》中给出了非破坏性仲裁的工作原理图：