CAN 總線計時權(quán)衡因素：信號速率與線纜長度的關(guān)系

有一個關(guān)于得克薩斯州民間英雄 Pecos Bill 的故事：那時，有人打賭他不能從從得克薩斯州的加爾維斯敦游過墨西哥灣到達弗羅里達州的基韋斯特。他訓(xùn)練了一個月，當(dāng)這一天到來時他便一頭扎進了墨西哥灣。Bill 不分晝夜地游了一個星期，期間戰(zhàn)鯊魚斗颶風(fēng)。最終，他離自己的目標越來越近。然而，當(dāng)他在海浪中看到遠處的基韋斯特時，他意識到他已經(jīng)太累，無法再繼續(xù)向前游了，因此他轉(zhuǎn)身游回了得克薩斯！

致力于 CAN 通信的設(shè)計人員就像 Pecos Bill 一樣面對他們所遇到的種種挑戰(zhàn)，往返信號傳輸成為一個重要的考慮因素。

當(dāng)一個以上節(jié)點要在共用總線上發(fā)送信號時，控制器局域網(wǎng) (CAN) 協(xié)議的一個關(guān)鍵特性就是如何處理總線爭用問題。CAN 使用逐位仲裁 (bit-wise arbitration) 來選擇哪一個節(jié)點應(yīng)該繼續(xù)信號傳輸。由于這些節(jié)點對每一個比特位進行監(jiān)聽，并且必須服從于更高優(yōu)先級的消息，因此它們的響應(yīng)時間必須快到能夠在破壞下一個比特以前終止傳輸。如下面三種情況所述，這就對容許組件延遲和線纜長度以及可用信號速率構(gòu)成了一些限制。

情況 1：無爭用正常 CAN 總線運行
通常每次只有一個節(jié)點要通過共用 CAN 總線通信。沒有一般性損耗的情況下，我們來討論一種二節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，然后再將這種討論延伸至更多節(jié)點。圖 1 描述了其工作原理。首先，兩個節(jié)點都處于非占用狀態(tài)，因此總線上沒有差動信號，如（1a）所示。如果節(jié)點 A 開始通信，則其使用一個占用位啟動一個 CAN 消息。向 CAN 收發(fā)器發(fā)送的傳輸數(shù)據(jù) (TXD) 輸入是一個邏輯 0，其命令差動驅(qū)動器在總線線路上生成一個差動信號，如（1b）所示。節(jié)點 A 的接收機感應(yīng)到該差動信號，并在已接收數(shù)據(jù)引腳 (RXD) 上輸出一個邏輯 0。差動電壓根據(jù) (1c) 和(1d) 所示雙絞線對的傳輸線路屬性進行傳輸。最終，差動信號到達節(jié)點 B，節(jié)點 B 的接收機也在 RXD 上輸出一個邏輯 0，如 (1e) 所示。這時，節(jié)點 B 注意到節(jié)點 A 已經(jīng)開始一個 CAN 消息，這樣節(jié)點 B 便不會在節(jié)點 A 完成以前發(fā)起消息。

圖 1 A 到 B 的正常信號傳輸
需要注意的是，節(jié)點 B 并非馬上就知道節(jié)點 A 已經(jīng)開始一條消息，因為從 A 到 B 的信號具有一定的延遲。這種情況下的總延遲為通過 A 處收發(fā)器（以及相關(guān)的隔離和緩沖電路）的延遲加上通過線纜的傳輸延遲，再加上 B 處收發(fā)器、隔離和緩沖電路的延遲的總和。乍一看，似乎這種單向延遲就是確保節(jié)點　B　不同節(jié)點　A　發(fā)送消息相沖突所需的關(guān)鍵計時限制。正如我們在情況 2 中所看到的一樣，這并非故事的全部。
情況 2：延遲爭用，后發(fā)消息具有更高的優(yōu)先級
我們的下一種情況（圖 2）假設(shè)，節(jié)點 A 再次發(fā)起一條消息，但是節(jié)點 B 在稍后發(fā)起的一條消息具有更高的優(yōu)先級。如前所述，這種情況以兩個節(jié)點均處在非占用模式作為開始，如 (2a 所示，隨后節(jié)點 A 變?yōu)檎加茫ㄈ纾?b）所示）發(fā)起一條消息。該占用差動電壓再次沿線纜傳輸。在信號到達 B 處的收發(fā)器以前，該節(jié)點剛好利用如（2c）所示占用位發(fā)起一條消息。這時，兩個節(jié)點都正傳輸一個占用位，并且兩個節(jié)點都正接收一個占用位（如（2d）所示），然后兩個節(jié)點都沒意識到另一個節(jié)點也已啟用。由于在我們的假設(shè)情況中，節(jié)點 A 具有比節(jié)點 B 更低的優(yōu)先級，因此有時節(jié)點 A 會通過將其 TXD 設(shè)置為 0（如（2e）所示）來發(fā)出一個非占用位。但是，由于節(jié)點 B 的作用，RXD 會感應(yīng)到總線仍然處在占用狀態(tài)下。

圖 2 延遲爭用—B 具有高優(yōu)先級

通過研究某個具有實際延遲值的假設(shè)案例，我們可以更加具體地介紹這些計時要求。在我們的二節(jié)點例子中，設(shè)定總單向延遲為 200ns，信號傳輸速率為 1Mbps，也就是 ISO 11898-2 標準規(guī)定的最大值。這樣，位時間便為 1000ns。除節(jié)點 B 的第二位會是同節(jié)點 A 的消息優(yōu)先級匹配的 0（非占用）以外，其同情況 2 所述一樣。（情況 2 中，節(jié)點 B 具有一個占用第二位，表明更高的消息優(yōu)先級。）

圖 3 中，節(jié)點 A 在時間 t=0 時開始一條消息，從而在總線（b）上傳輸一個占用位。如圖 2 所示，其可能出現(xiàn)的情況是，節(jié)點 B 剛好在節(jié)點 A 的信號被接收到以前（c）開始發(fā)送，也即時間t=199ns。當(dāng)時間 t=1000ns 的第二位開始之初，在節(jié)點 A 轉(zhuǎn)到非占用狀態(tài)以前兩個節(jié)點都沒意識到對方的有效性。然后，節(jié)點 B 在時間 t=1199ns 的第二位開始之初，轉(zhuǎn)到非占用狀態(tài)。另一個單向延遲以后，該非占用信號到達節(jié)點A，時間 t=1399ns。只有在這時，節(jié)點 A 才讀取 RXD 信號，并且可以確定其代表網(wǎng)絡(luò)的真實狀態(tài)。

圖 3 延遲爭用—節(jié)點 A 和 B 具有相同的優(yōu)先級