信號速率與線纜長度的關系：CAN 總線計時權衡因素

注意，只通過等到兩倍單向延遲（或者相當于總雙向傳輸時間）節(jié)點A才能判別這種情況，其中節(jié)點 A 和 B 的消息具有相同的優(yōu)先級（情況 3），以及節(jié)點 B 的消息擁有更高的優(yōu)先級。由于 CAN 協(xié)議固有的逐位仲裁機制，這種雙向延遲必須較好地位于一個位時間預算范圍內(nèi)，也即 1000ns。否則，在第二個位仲裁完成以前，節(jié)點 A 就可能開始傳送其第三個位。

信號傳輸速率及線纜長度限制
我們知道雙向延遲至關重要，CAN 定義可編程傳輸延遲 (PROP_SEG) 為每個位的組成部分，以保證每個節(jié)點在對總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實等待足夠長的時間。PROP_SEG 的計算涉及雙向延遲和本地系統(tǒng)時鐘頻率相關知識，其超出了本文的討論范圍。實際上，PROP_SEG 將采樣點規(guī)定在約總位時間的 5/6 或者更低以照顧其他段，這樣雙向延遲便被規(guī)定為位時間的一小段。

CAN 標準規(guī)定，線纜為 5ns 每米傳輸延遲，1Mbps 信號速率時最大線纜長度為 40 米。位時間為 1000ns 時，最遲采樣點（由PROP_SEG設定）約為 850ns。線纜本身具有 200ns 的單向延遲（即 400ns 雙向延遲），從而使收發(fā)器和相關電路的總延遲只剩約 450ns。

CAN 收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“環(huán)路延遲”，其包括驅(qū)動器和接收機延遲。由于雙向計算中涉及兩個收發(fā)器，因此每個收發(fā)器都應有 225ns 或者更低的環(huán)路延遲，以支持 1Mbps 信號速率下 40 米的總線長度。如果收發(fā)器電路包括更多的組件，例如：隔離、電壓電平轉(zhuǎn)換或保護組件，則這些組件產(chǎn)生的延遲必須也包括在總延遲預算中。甚至，高速光耦合器一般具有 40ns 或更長的單向延遲，而全部雙向信號都必須通過四個光耦合器。這就極大地縮短了使用光隔離 CAN 系統(tǒng)的容許線纜長度（即增加了位時間）。1Mbps 條件下，即使快速光耦合器的延遲也會縮短容許線纜長度，計算方法如方程式 1：

下面顯示了信號速率和線纜長度之間的權衡因素，以及收發(fā)器延遲帶來的影響。收發(fā)器帶來的延遲（包括相關隔離、電平轉(zhuǎn)換和保護）對于 500 kbps 及以上的信號速率特別明顯。

圖 4 收發(fā)器延遲影響信號速率和線纜長度的權衡（點擊圖片放大）
在單個封裝（ISO1050）中的高速 CAN 收發(fā)器集成 SiO2 隔離現(xiàn)已上市。利用低于 210ns 的極限總環(huán)路延遲（包括驅(qū)動器、接收機和兩個隔離信道?。梢詼p少雙向環(huán)路延遲，并簡化您隔離式 CAN 解決方案的系統(tǒng)計時和設計。您還可以執(zhí)行一個電平轉(zhuǎn)換功能，將一個 3.3V 控制器的電壓轉(zhuǎn)換至 5V CAN 收發(fā)器，無需更多的延遲。

當然，在進行信號速率和線纜長度相關性能優(yōu)化設計時還存在其他一些問題。網(wǎng)絡的傳輸線路效應表明，負載、節(jié)點到節(jié)點間隔和短截線長度對系統(tǒng)的信號保真度和抗干擾性都很重要。本文結尾列舉了較好的參考文獻。

實驗室數(shù)據(jù)例子
為了說明這些概念，可建立一個帶有兩個隔離 CAN 節(jié)點和 50 米線纜的實驗室裝置。我們預計單向線纜延遲為 250ns，隔離收發(fā)器環(huán)路延遲約為 150ns，即 ISO1050 標準的典型值。因此，節(jié)點 A 的采樣點應約為比特開始以后的 800ns，如圖 5 所示。

圖 5 50 米線纜的 1 Mbps CAN 信號速率（點擊圖片放大）

就 1Mbps 信號速率而言，在該比特結束以前，采樣點留有足夠的裕量，其表明使用快速收發(fā)器，40 米以上的線纜長度是可行的。
總結

廣大設計人員正在各種應用中使用 CAN 通信，他們需要了解計時限制和線纜長度權衡方法。信號鏈中每個組件都會影響總計時預算，同時必須考慮雙向延遲以確?？煽康耐ㄐ?。使用如 ISO1050 等快速收發(fā)器可保證 CAN 信號按時完成雙向傳輸，只有比 Pecos Bill 更快才能游過墨西哥灣。