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AUTOSAR CAN状态管理器(CanSM)详解

AUTOSAR经典平台4.4.0版本规范

目录

1. 概述
   • 1.1 CanSM模块的作用与目标
   • 1.2 模块依赖关系
2. 模块架构
   • 2.1 模块位置与接口
   • 2.2 主要依赖模块
3. 功能详解
   • 3.1 网络状态管理
   • 3.2 总线关闭处理
4. 配置结构
   • 4.1 配置类层次结构
   • 4.2 关键配置参数
5. API接口
   • 5.1 初始化与反初始化
   • 5.2 通信模式控制
6. 总结

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1. 概述

1.1 CanSM模块的作用与目标

AUTOSAR CAN状态管理器(CanSM)是AUTOSAR通信栈中的关键模块，位于通信服务层，主要负责CAN网络状态的管理和转换。CanSM模块控制CAN控制器和CAN收发器的工作模式，处理CAN网络的各种通信状态(如全通信、静默通信和无通信)，并监控和处理总线关闭(Bus-Off)事件。

本文档基于AUTOSAR CP Release 4.4.0规范，详细解析CanSM模块的架构、状态机、配置结构和关键API，帮助开发者更好地理解和实现AUTOSAR CAN状态管理功能。

1.2 模块依赖关系

CanSM模块与其他AUTOSAR模块的依赖关系如下：

• 与ComM模块的依赖：
  • ComM模块通过ComM_BusSM接口请求CAN网络的通信模式变更
  • CanSM接收请求后执行相应的状态转换，控制底层CAN硬件
• 与CanIf模块的依赖：
  • CanSM通过CanIf_CanSm接口控制CAN控制器和收发器的工作模式
  • CanIf模块通知CanSM关于CAN外设的事件，如总线关闭(Bus-Off)事件
• 与BswM模块的依赖：
  • CanSM通过BswM_CanSM_CurrentState接口向BswM模块通知CAN网络的当前状态
  • BswM模块可以根据CAN网络状态进行模式管理决策
• 与系统服务模块的依赖：
  • EcuM模块负责初始化CanSM
  • SchM模块调用CanSM的主函数
  • Dem模块接收CanSM的错误状态报告
  • Det模块用于开发错误检测和报告

/* CanSM模块与ComM模块的接口示例 */
void CanSM_RequestComMode(NetworkHandleType NetworkHandle, ComM_ModeType ComM_Mode)
{
    /* 参数检查 */
    if (CanSM_State != CANSM_INITIALIZED) {
        Det_ReportError(CANSM_MODULE_ID, CANSM_INSTANCE_ID,
                       CANSM_REQUESTCOMMODE_ID, CANSM_E_UNINIT);
        return E_NOT_OK;
    }
    
    /* 触发状态机转换 */
    switch (ComM_Mode) {
        case COMM_FULL_COMMUNICATION:
            /* 触发状态机转换到全通信 */
            /* ... */
            break;
        case COMM_SILENT_COMMUNICATION:
            /* 触发状态机转换到静默通信 */
            /* ... */
            break;
        case COMM_NO_COMMUNICATION:
            /* 触发状态机转换到无通信 */
            /* ... */
            break;
        default:
            Det_ReportError(CANSM_MODULE_ID, CANSM_INSTANCE_ID,
                           CANSM_REQUESTCOMMODE_ID, CANSM_E_INVALID_COMM_MODE);
            return E_NOT_OK;
    }
    
    return E_OK;
}

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2. 模块架构

2.1 模块位置与接口

CanSM模块作为AUTOSAR BSW架构中的通信服务层模块，是连接通信管理器(ComM)和CAN接口层(CanIf)的桥梁。CanSM模块主要负责：

1. CAN网络状态管理：

   • 管理CAN网络的三种通信状态：全通信、静默通信和无通信
   • 根据ComM请求执行状态转换
   • 通知BswM关于CAN网络的当前状态

2. CAN控制器和收发器控制：

   • 通过CanIf模块控制CAN控制器的工作模式(STARTED、STOPPED)
   • 控制CAN收发器的工作模式(NORMAL、STANDBY)
   • 协调多个CAN控制器和收发器的状态同步

3. 总线关闭(Bus-Off)处理：

   • 检测和处理CAN控制器的总线关闭事件
   • 实施可配置的总线关闭恢复策略
   • 支持基于时间或TX确认的恢复机制

2.2 主要依赖模块

CanSM模块与下列AUTOSAR模块有紧密的交互：

• ComM（通信管理器）：

  • 为CanSM提供网络通信模式的请求
  • 接收CanSM关于通信模式变更的确认

• CanIf（CAN接口）：

  • 提供CAN控制器和收发器的控制接口
  • 上报总线关闭事件给CanSM
  • 管理PDU(协议数据单元)的发送模式

• BswM（BSW模式管理器）：

  • 接收CanSM的网络状态通知
  • 基于CAN网络状态执行模式管理决策

• EcuM（ECU管理器）：

  • 初始化CanSM模块
  • 处理与唤醒相关的功能

• Dem（诊断事件管理器）：

  • 接收CanSM的故障事件报告
  • 管理与CAN网络相关的诊断事件

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3. 功能详解

3.1 网络状态管理

CanSM模块为每个配置的CAN网络实现一个状态机，用于管理网络状态的转换。状态机定义了多个状态和触发器，用于控制CAN网络在不同通信模式之间的切换。

状态机的主要状态包括：

1. 未初始化状态(CANSM_BSM_NOT_INITIALIZED)：

   • 系统上电后的初始状态
   • 此状态下CAN网络不可用
   • 调用CanSM_Init后离开此状态

2. 无通信状态(CANSM_BSM_S_NOCOM)：

   • CAN控制器处于STOPPED状态
   • CAN收发器处于STANDBY状态
   • 不能收发CAN报文，低功耗状态

3. 全通信状态(CANSM_BSM_S_FULLCOM)：

   • CAN控制器处于STARTED状态
   • CAN收发器处于NORMAL状态
   • 可以正常收发CAN报文
   • 网络完全活动状态

4. 静默通信状态(CANSM_BSM_S_SILENTCOM)：

   • CAN控制器处于STARTED状态
   • CAN收发器处于NORMAL状态
   • 可以接收报文但不发送（TX离线）
   • 通常用于准备进入睡眠状态

状态转换的主要流程：

1. 上电和初始化：

   • PowerOn后状态机处于CANSM_BSM_NOT_INITIALIZED状态
   • 调用CanSM_Init触发转换到CANSM_BSM_S_NOT_INITIALIZED状态
   • 然后自动转换到CANSM_BSM_S_NOCOM状态

2. 进入全通信：

   • 状态机从CANSM_BSM_S_NOCOM转换到CANSM_BSM_S_FULLCOM
   • CanSM设置CAN控制器为STARTED模式
   • CanSM设置CAN收发器为NORMAL模式
   • 设置PDU组为ONLINE模式以启用发送

3. 进入静默通信：

   • 状态机从CANSM_BSM_S_FULLCOM转换到CANSM_BSM_S_SILENTCOM
   • 保持CAN控制器为STARTED模式
   • 保持CAN收发器为NORMAL模式
   • 设置PDU组为TX_OFFLINE模式以禁止发送

4. 进入无通信：

   • 状态机转换到CANSM_BSM_S_NOCOM状态
   • CanSM设置CAN控制器为STOPPED模式
   • CanSM设置CAN收发器为STANDBY模式
   • 完全禁止CAN通信

5. 反初始化：

   • 调用CanSM_DeInit触发状态机回到CANSM_BSM_NOT_INITIALIZED状态
   • 必须确保所有CAN网络都处于CANSM_NO_COMMUNICATION状态

/* CAN网络状态转换示例代码 */
Std_ReturnType CanSM_SetNetworkMode(NetworkHandleType Network, CanSM_NetworkModeType TargetMode)
{
    Std_ReturnType result = E_NOT_OK;
    
    switch (TargetMode) {
        case CANSM_FULL_COMMUNICATION:
            /* 启动CAN控制器 */
            result = CanIf_SetControllerMode(
                CanSM_Networks[Network].ControllerId,
                CANIF_CS_STARTED);
            
            if (result == E_OK) {
                /* 设置收发器模式 */
                result = CanIf_SetTrcvMode(
                    CanSM_Networks[Network].TransceiverId,
                    CANIF_TRCV_MODE_NORMAL);
                
                if (result == E_OK) {
                    /* 启用PDU组 */
                    result = CanIf_SetPduMode(
                        CanSM_Networks[Network].ControllerId,
                        CANIF_ONLINE);
                        
                    /* 更新当前模式 */
                    if (result == E_OK) {
                        CanSM_Networks[Network].CurrentState = CANSM_BSM_S_FULLCOM;
                        /* 通知BswM */
                        BswM_CanSM_CurrentState(Network, CANSM_BSWM_FULL_COMMUNICATION);
                    }
                }
            }
            break;
            
        case CANSM_NO_COMMUNICATION:
            /* 实现进入无通信模式的代码 */
            /* ... */
            break;
            
        default:
            /* 处理无效模式 */
            break;
    }
    
    return result;
}

3.2 总线关闭处理

总线关闭(Bus-Off)是CAN控制器进入的一种错误状态，当发生严重的总线错误时触发。CanSM模块实现了复杂的总线关闭恢复机制：

1. 总线关闭检测：

   • CanIf模块检测到总线关闭事件
   • 通过回调函数CanSM_ControllerBusOff通知CanSM
   • 触发状态机进入CANSM_BSM_S_SILENTCOM_BOR状态

2. 恢复策略类型：

   • 基于时间的恢复：等待配置的时间后尝试重启CAN控制器
   • 基于TX确认的恢复：等待TX确认后再重启CAN控制器
   • 分级恢复：L1和L2两个恢复等级，L2拥有更长的恢复时间

3. 恢复过程：

   • 当发生总线关闭时，CanSM停止CAN控制器
   • 等待配置的恢复时间(L1或L2)
   • 重新启动CAN控制器
   • 如果再次发生总线关闭，使用L2恢复时间（更长）

4. 错误报告：

   • 当超过最大恢复尝试次数时，报告DEM错误
   • 不同的恢复阶段可以配置不同的错误处理策略

/* 总线关闭处理回调函数示例 */
void CanSM_ControllerBusOff(uint8 ControllerId)
{
    NetworkHandleType network;
    
    /* 找到对应的网络句柄 */
    for (network = 0; network < CANSM_NUMBER_OF_NETWORKS; network++) {
        if (CanSM_Networks[network].ControllerId == ControllerId) {
            break;
        }
    }
    
    /* 检查是否找到有效网络 */
    if (network < CANSM_NUMBER_OF_NETWORKS) {
        /* 更新总线关闭状态 */
        CanSM_Networks[network].BusOffStatus = CANSM_BUS_OFF_DETECTED;
        
        /* 停止CAN控制器 */
        CanIf_SetControllerMode(ControllerId, 
        CANIF_CS_STOPPED);
        
        /* 记录总线关闭时间 */
        CanSM_Networks[network].BusOffTime = CanSM_GetCurrentTime();
        
        /* 增加总线关闭计数器 */
        CanSM_Networks[network].BusOffCounter++;
        
        /* 确定恢复时间 (L1 或 L2) */
        if (CanSM_Networks[network].BusOffCounter <= 
            CanSM_BorCounterL1ToL2Threshold) {
            CanSM_Networks[network].BorRecoveryTime = CanSM_BorTimeL1;
        } else {
            CanSM_Networks[network].BorRecoveryTime = CanSM_BorTimeL2;
        }
        
        /* 触发状态转换到总线关闭恢复状态 */
        CanSM_SetBusOffRecoveryState(network);
    }
}

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4. 配置结构

4.1 配置类层次结构

CanSM模块的配置结构包括多个相互关联的配置类，用于设置CAN网络、控制器、收发器和总线关闭恢复参数：

1. CanSM配置类：

   • 顶层配置容器
   • 包含所有配置的CAN网络信息
   • 包含通用模块参数设置

2. CanSMManagerNetwork配置类：

   • 核心配置类
   • 定义每个CAN网络的配置
   • 关联控制器和收发器配置
   • 设置总线关闭恢复参数

3. CanSMControllerConfig配置类：

   • CAN控制器配置
   • 定义CAN控制器的配置
   • 关联到特定的CAN网络

4. CanSMTransceiverConfig配置类：

   • CAN收发器配置
   • 定义CAN收发器的配置
   • 可选项，某些网络可能不使用收发器

5. CanSMBorConfig配置类：

   • 总线关闭恢复配置
   • 设置恢复策略和时间
   • 定义恢复阈值和计数器

4.2 关键配置参数

CanSM模块的关键配置参数包括：

1. 基础网络参数：

   • CanSMNetworkId：CAN网络的唯一标识符
   • CanSMComMNetworkHandleRef：关联的ComM网络句柄
   • CanSMSizeOfControllerId：网络中CAN控制器的数量
   • CanSMSizeOfTransceiverId：网络中CAN收发器的数量

2. 总线关闭恢复参数：

   • CanSMBorCounterL1ToL2：L1到L2恢复级别的计数器阈值
   • CanSMBorTimeL1：L1级别的恢复时间
   • CanSMBorTimeL2：L2级别的恢复时间（通常更长）
   • CanSMBorTxConfirmationPolling：是否使用TX确认策略

3. 模式请求参数：

   • CanSMModeRequestRepetitionMax：模式请求的最大重复次数
   • CanSMModeRequestRepetitionTime：模式请求的重复时间间隔

4. 常规模块参数：

   • CanSMMainFunctionTimePeriod：主函数的周期时间
   • CanSMDevErrorDetect：开发错误检测开关
   • CanSMVersionInfoApi：版本信息API使能开关

/* CanSM配置数据结构示例 */
typedef struct {
    uint8 CanSMBorCounterL1ToL2;        /* L1到L2恢复级别的阈值 */
    float32 CanSMBorTimeL1;             /* L1级别恢复时间 */
    float32 CanSMBorTimeL2;             /* L2级别恢复时间 */
    boolean CanSMBorTxConfirmationPolling; /* TX确认策略开关 */
} CanSM_BorConfigType;

typedef struct {
    uint8 CanSMControllerId;            /* CAN控制器ID */
} CanSM_ControllerConfigType;

typedef struct {
    uint8 CanSMTransceiverId;           /* CAN收发器ID */
} CanSM_TransceiverConfigType;

typedef struct {
    NetworkHandleType CanSMNetworkId;   /* CAN网络ID */
    NetworkHandleType CanSMComMNetworkHandleRef; /* ComM网络句柄 */
    uint8 CanSMModeRequestRepetitionMax; /* 最大重复次数 */
    float32 CanSMModeRequestRepetitionTime; /* 重复时间间隔 */
    const CanSM_ControllerConfigType* CanSMControllerConfig;
    const CanSM_TransceiverConfigType* CanSMTransceiverConfig;
    const CanSM_BorConfigType* CanSMBorConfig;
    uint8 CanSMSizeOfControllerId;      /* 控制器数量 */
    uint8 CanSMSizeOfTransceiverId;     /* 收发器数量 */
} CanSM_NetworkConfigType;

typedef struct {
    boolean CanSMDevErrorDetect;        /* 开发错误检测 */
    float32 CanSMMainFunctionTimePeriod; /* 主函数周期 */
    boolean CanSMVersionInfoApi;        /* 版本信息API */
} CanSM_GeneralType;

typedef struct {
    const CanSM_GeneralType CanSMGeneral;
    const CanSM_NetworkConfigType* CanSMNetworkConfig;
    uint8 CanSMSizeOfNetwork;           /* 网络数量 */
} CanSM_ConfigType;

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5. API接口

5.1 初始化与反初始化

CanSM模块提供了标准的初始化和反初始化接口：

1. CanSM_Init：
   • 函数：void CanSM_Init(const CanSM_ConfigType* ConfigPtr)
   • 功能：初始化CanSM模块的内部变量和状态
   • 参数：指向配置结构的指针
   • 行为：初始化模块内部变量，将所有CAN网络状态设置为未初始化
   • 调用时机：系统启动阶段

void CanSM_Init(const CanSM_ConfigType* ConfigPtr)
{
    uint8 i;
    
    /* 参数检查 */
    if (ConfigPtr == NULL_PTR) {
        Det_ReportError(CANSM_MODULE_ID, CANSM_INSTANCE_ID,
        CANSM_INIT_ID, CANSM_E_PARAM_POINTER);
        return;
    }
    
    /* 保存配置指针 */
    CanSM_ConfigurationPtr = ConfigPtr;
    
    /* 初始化全局变量 */
    CanSM_State = CANSM_INITIALIZED;
    
    /* 初始化所有网络状态 */
    for (i = 0; i < CanSM_ConfigurationPtr->CanSMSizeOfNetwork; i++) {
        CanSM_NetworkStates[i].CurrentState = CANSM_BSM_S_NOT_INITIALIZED;
        /* 初始化其他网络状态变量... */
    }
}

2. CanSM_DeInit：
   • 函数：void CanSM_DeInit(void)
   • 功能：关闭CanSM模块，释放资源
   • 行为：关闭CanSM模块，将所有CAN网络状态设置回未初始化状态
   • 注意：调用此函数前必须确保所有CAN网络都处于无通信状态

void CanSM_DeInit(void)
{
    uint8 i;
    
    /* 检查模块是否已初始化 */
    if (CanSM_State != CANSM_INITIALIZED) {
        Det_ReportError(CANSM_MODULE_ID, CANSM_INSTANCE_ID,
        CANSM_DEINIT_ID, CANSM_E_UNINIT);
        return;
    }
    
    /* 检查所有网络是否都处于无通信状态 */
    for (i = 0; i < CanSM_ConfigurationPtr->CanSMSizeOfNetwork; i++) {
        if (CanSM_NetworkStates[i].CurrentState != CANSM_BSM_S_NOCOM)
        {
            Det_ReportError(CANSM_MODULE_ID, CANSM_INSTANCE_ID,
            CANSM_DEINIT_ID, CANSM_E_MODE_REQUEST_TIMEOUT);
            return;
        }
    }
    
    /* 反初始化所有网络 */
    for (i = 0; i < CanSM_ConfigurationPtr->CanSMSizeOfNetwork; i++) {
        CanSM_NetworkStates[i].CurrentState = CANSM_BSM_NOT_INITIALIZED;
        /* 清除其他网络状态变量... */
    }
    
    /* 重置模块状态 */
    CanSM_State = CANSM_UNINIT;
    CanSM_ConfigurationPtr = NULL_PTR;
}

5.2 通信模式控制

CanSM模块提供了控制CAN网络通信模式的API：

1. CanSM_RequestComMode：

   • 函数：Std_ReturnType CanSM_RequestComMode(NetworkHandleType network, ComM_ModeType ComM_Mode)
   • 功能：请求指定CAN网络的通信模式
   • 参数：网络句柄和目标通信模式
   • 返回：E_OK表示请求已接受，E_NOT_OK表示拒绝

2. CanSM_GetCurrentComMode：

   • 函数：Std_ReturnType CanSM_GetCurrentComMode(NetworkHandleType network, ComM_ModeType* ComM_ModePtr)
   • 功能：获取指定CAN网络的当前通信模式
   • 参数：网络句柄和模式指针
   • 返回：E_OK表示成功获取，E_NOT_OK表示失败

3. CanSM_StartWakeUpSource：

   • 函数：Std_ReturnType CanSM_StartWakeupSource(NetworkHandleType network)
   • 功能：启动CAN网络作为唤醒源
   • 参数：网络句柄
   • 返回：E_OK表示成功启动，E_NOT_OK表示失败

4. CanSM_StopWakeUpSource：

   • 函数：Std_ReturnType CanSM_StopWakeupSource(NetworkHandleType network)
   • 功能：停止CAN网络作为唤醒源
   • 参数：网络句柄
   • 返回：E_OK表示成功停止，E_NOT_OK表示失败

Std_ReturnType CanSM_RequestComMode(NetworkHandleType network, ComM_ModeType ComM_Mode)
{
    /* 检查模块是否已初始化 */
    if (CanSM_State != CANSM_INITIALIZED) {
        Det_ReportError(CANSM_MODULE_ID, CANSM_INSTANCE_ID,
        CANSM_REQUESTCOMMODE_ID, CANSM_E_UNINIT);
        return E_NOT_OK;
    }
    
    /* 参数检查 */
    if (network >= CanSM_ConfigurationPtr->CanSMSizeOfNetwork) {
        Det_ReportError(CANSM_MODULE_ID, CANSM_INSTANCE_ID,
        CANSM_REQUESTCOMMODE_ID, CANSM_E_INVALID_NETWORK_HANDLE);
        return E_NOT_OK;
    }
    
    /* 存储请求的通信模式 */
    CanSM_NetworkStates[network].RequestedMode = ComM_Mode;
    
    /* 根据请求的模式触发相应的状态转换 */
    switch (ComM_Mode) {
        case COMM_FULL_COMMUNICATION:
            /* 触发全通信模式转换 */
            break;
            
        case COMM_SILENT_COMMUNICATION:
            /* 触发静默通信模式转换 */
            break;
            
        case COMM_NO_COMMUNICATION:
            /* 触发无通信模式转换 */
            break;
            
        default:
            Det_ReportError(CANSM_MODULE_ID, CANSM_INSTANCE_ID,
            CANSM_REQUESTCOMMODE_ID, CANSM_E_INVALID_COMM_MODE);
            return E_NOT_OK;
    }
    
    return E_OK;
}

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6. 总结

AUTOSAR CAN状态管理器(CanSM)是AUTOSAR通信栈中的关键组件，承担着CAN网络状态管理的重要职责。它为ComM和CanIf模块之间提供桥接功能，实现通信模式请求的转换为具体的CAN硬件控制。

主要特性

• 统一的网络状态管理：

  • 管理不同CAN网络的通信状态（全通信、静默通信、无通信）
  • 提供标准化的通信模式转换流程
  • 确保CAN控制器和收发器状态同步

• 完整的总线关闭处理：

  • 实现可配置的总线关闭恢复策略
  • 支持多级恢复机制（L1/L2）
  • 可选择基于时间或TX确认的恢复方式

• 灵活的配置结构：

  • 支持多CAN网络配置
  • 支持每个网络多控制器和收发器
  • 提供丰富的配置参数以满足不同应用需求

应用场景

1. 汽车网络管理：

   • 实现车辆CAN网络的各种通信状态管理
   • 处理网络休眠和唤醒流程
   • 确保节能模式下的正确网络状态

2. 故障恢复：

   • 处理CAN总线故障并自动恢复
   • 实施分级故障处理策略
   • 提供对总线干扰的鲁棒性

3. 诊断支持：

   • 提供网络状态信息用于诊断
   • 报告通信错误和恢复状态
   • 记录总线关闭统计信息

通过CanSM模块，AUTOSAR架构为CAN网络的状态管理提供了标准化、可靠的解决方案，有效促进了不同ECU供应商之间的互操作性，并简化了复杂网络系统的开发和调试。