信號速率與線纜長度的關(guān)系：CAN 總線計時權(quán)衡因素

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(dá)弗羅里達(dá)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(biāo)越來越近。然而，當(dāng)他在海浪中看到遠(yuǎn)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(dá)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(dá) 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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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