淺析CAN總線中位定時(shí)的設(shè)定方法

摘要:在CAN總線中,位定時(shí)有一點(diǎn)小錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致總線性能嚴(yán)重下降。雖然在許多情況下，位同步會(huì)修補(bǔ)由于位定時(shí)設(shè)置不當(dāng)而產(chǎn)生的錯(cuò)誤，但不能完全避免出錯(cuò)情況，并且在遇到兩個(gè)或多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送的情況時(shí)，錯(cuò)誤的采樣點(diǎn)會(huì)使節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)志，使節(jié)點(diǎn)不能贏得總線上的任何活動(dòng)。因此要分析、解決這樣的錯(cuò)誤就需要對(duì)CAN總線位定時(shí)中的位同步和CAN節(jié)點(diǎn)的工作過程有一個(gè)深入的了解。本文描述了CAN總線位同步的運(yùn)行規(guī)則以及如何對(duì)位定時(shí)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

關(guān)鍵詞：總線 位定時(shí) 同步 延遲

1． 前言

CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1Mbit/s，通常用石英晶振作為時(shí)鐘發(fā)生器，可以獨(dú)立進(jìn)行位定時(shí)的參數(shù)設(shè)置，這樣即使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘周期不一樣仍可獲得相同的位速率。但網(wǎng)絡(luò)中晶振的頻率不是絕對(duì)穩(wěn)定的，溫度、電壓以及器件的異常都會(huì)導(dǎo)致微小的差別，但只要將其穩(wěn)定在振蕩器容差范圍之內(nèi)，總線上的節(jié)點(diǎn)會(huì)通過重同步進(jìn)行彌補(bǔ)。

CAN總線的一個(gè)位時(shí)間可以分成四個(gè)部分：同步段，傳播段，相位段1和相位段2，每段的時(shí)間份額的數(shù)目都是可以編程控制的，而時(shí)間份額的大小tq由系統(tǒng)時(shí)鐘tsys和波特率預(yù)分頻值BRP決定：tq=BRP/tsys。如圖1：

圖1

參數(shù)范圍說明 分頻值 [1…….32] 規(guī)定時(shí)間份額的長(zhǎng)度 同步段 1tq 固定長(zhǎng)度，同步總線節(jié)點(diǎn) 傳播時(shí)間段 [1…….8]tq 補(bǔ)償總線物理延遲時(shí)間 相位緩沖段1 [1…….8]tq 重同步時(shí)可以暫時(shí)延長(zhǎng) 相位緩沖段2 [1…….8]tq 重同步時(shí)可以暫時(shí)縮短 同步跳轉(zhuǎn)寬度 [1…….4]tq 長(zhǎng)度小于相位緩沖段表1：位時(shí)間的參數(shù)

2．同步段

（1）同步段用于同步總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn),在此段內(nèi)期望有一個(gè)跳變沿出現(xiàn)。如果跳變沿出現(xiàn)在同步段之外，那么沿與同步段之間的長(zhǎng)度叫做沿相位誤差。采樣點(diǎn)位于相位緩沖段1的末尾和相位緩沖段2開始處。

（2）傳播時(shí)間段用于補(bǔ)償總線上信號(hào)傳播時(shí)間和電子控制設(shè)備內(nèi)部的延遲時(shí)間。因此，要實(shí)現(xiàn)與位流發(fā)送節(jié)點(diǎn)的同步，接收節(jié)點(diǎn)必須移相。CAN總線非破壞性仲裁規(guī)定，發(fā)送位流的總線節(jié)點(diǎn)必須能夠收到同步于位流的CAN總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送的顯性位。圖2顯示了兩個(gè)總線節(jié)點(diǎn)的相移和傳播段時(shí)間。

圖2

在這個(gè)例子里，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B都是發(fā)送節(jié)點(diǎn)，因此總線要對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仲裁。節(jié)點(diǎn)A比節(jié)點(diǎn)B提前發(fā)送不到1個(gè)位時(shí)間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B收到延遲后的跳變沿時(shí)，B節(jié)點(diǎn)要同步于A節(jié)點(diǎn)，對(duì)位時(shí)間進(jìn)行移相。移相后節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的標(biāo)識(shí)號(hào)有較高優(yōu)先級(jí)，因此節(jié)點(diǎn)B贏得總線的使用權(quán)，如圖節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的顯性位經(jīng)過延遲后到達(dá)節(jié)點(diǎn)A。

因?yàn)榇嬖谡袷幤魅莶睿?jié)點(diǎn)A的采樣點(diǎn)在相位緩沖段的位置是不能確定的，所以節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的位流必須在A節(jié)點(diǎn)的相位緩沖段1開始之前到達(dá)，因此傳播時(shí)間段的長(zhǎng)度將受到這個(gè)條件的限制。如果節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)隱性到顯性的跳變沿，節(jié)點(diǎn)A在相位緩沖段1開始之后收到，那么節(jié)點(diǎn)A就有可能采樣到一個(gè)隱性位，導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)位錯(cuò)誤。這樣的錯(cuò)誤只有當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與總線仲裁,且總線比較長(zhǎng),節(jié)點(diǎn)的振蕩器頻率相差較大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。另外，CAN總線還提供一種采樣方式，即采樣3次，在相位緩沖段首尾以及相位緩沖段1、2的交界處各采樣一次，并通過位定時(shí)邏輯確定位的正確值，這樣就會(huì)要求額外的一個(gè)時(shí)間份額的延遲，因而需要更長(zhǎng)的傳播時(shí)間段。

3．相位緩沖段和同步

同步跳轉(zhuǎn)寬度規(guī)定了重同步發(fā)生時(shí)采樣點(diǎn)在相位緩沖段內(nèi)移動(dòng)的距離。相位緩沖段和同步跳轉(zhuǎn)寬度用來補(bǔ)償振蕩器容差，發(fā)生重同步時(shí)相位緩沖段會(huì)被加長(zhǎng)或縮短。當(dāng)總線發(fā)生從隱性到顯性跳變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同步，其作用是控制沿與采樣點(diǎn)之間的距離?？偩€節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間份額都會(huì)采樣總線，并與前一次采樣值進(jìn)行比較，如果前一次采樣值是隱性而當(dāng)前的采樣值是顯性，那么總線節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生一次同步。如果跳變沿出現(xiàn)在同步段的前面，沿相位錯(cuò)誤就是負(fù)的，反之就是正的。

在幀起始時(shí)，總線會(huì)進(jìn)行一次硬同步。硬同步后,位時(shí)間由每個(gè)位定時(shí)邏輯單元在同步段之后重新啟動(dòng)，強(qiáng)迫引起硬同步的邊沿處于重新啟動(dòng)位時(shí)間的同步段內(nèi)。

當(dāng)引起重同步的沿相位錯(cuò)誤幅值小于或等于同步跳轉(zhuǎn)寬度的數(shù)值時(shí)，重同步導(dǎo)致位時(shí)間的延長(zhǎng)或縮短，使采樣點(diǎn)處于適當(dāng)?shù)奈恢?。?dāng)沿相位誤差幅值大于重同步跳轉(zhuǎn)寬度時(shí)，如果相位誤差為正，相位緩沖段1延長(zhǎng)數(shù)值等于同步跳轉(zhuǎn)寬度；如果相位誤差為負(fù)，相位緩沖段2縮短數(shù)值等于同步跳轉(zhuǎn)寬度。

通過同步，總線可以有效地濾除長(zhǎng)度小于傳播段與相位緩沖段1長(zhǎng)度之和的噪聲。但在一個(gè)位時(shí)間里只允許一種同步發(fā)生。除了噪聲以外，絕大多數(shù)的同步都是由仲裁引起的，總線上的所有節(jié)點(diǎn)都要同步于最先開始發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，但是由于總線延遲，節(jié)點(diǎn)的同步不可能達(dá)到理想的要求。如果最先發(fā)送的節(jié)點(diǎn)沒有贏得總線仲裁，那么所有的接收節(jié)點(diǎn)都要重新同步于獲得總線仲裁的節(jié)點(diǎn)。應(yīng)答場(chǎng)的情況也是如此，總線上的接收節(jié)點(diǎn)都要同步于最先發(fā)送顯性位的節(jié)點(diǎn)。但是當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘周期不同并經(jīng)過多次同步累加起來,振蕩器容差會(huì)導(dǎo)致同步在仲裁場(chǎng)之后出現(xiàn)。圖3列舉了沿相位誤差為正負(fù)兩種情況，中間的圖作為參考。說明了相位緩沖段如何彌補(bǔ)沿相位錯(cuò)誤。

圖3

在第一個(gè)例子里，同步段末端出現(xiàn)了一個(gè)隱性到顯性的跳變沿，那么相位緩沖段1將加長(zhǎng)，使得跳變沿到采樣點(diǎn)之間的長(zhǎng)度與沒有跳變沿出現(xiàn)時(shí)同步段到采樣點(diǎn)之間的長(zhǎng)度相等。由于沿相位誤差小于同步跳轉(zhuǎn)寬度，因此重同步補(bǔ)償了沿相位誤差，在下一個(gè)正常位時(shí)間到來時(shí)，顯性到隱性的跳變沿就出現(xiàn)在同步段。在第二個(gè)例子中，一個(gè)隱性到顯性的跳變沿出現(xiàn)在相位緩沖段2，因此相位緩沖段2會(huì)縮短,并且同步段會(huì)被省略, 這是因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)同步于邊沿時(shí)，節(jié)點(diǎn)無法確定處于相位緩沖段2的同步段的起始位置。由于沿相位誤差的幅值小于同步跳轉(zhuǎn)寬度,所以重同步取得的效果與第一個(gè)例子是一樣的。需要注意的是，相位緩沖段只是暫時(shí)的被加長(zhǎng)或者縮短，在下一個(gè)位時(shí)間，緩沖段又會(huì)恢復(fù)預(yù)設(shè)值。圖4顯示了同步是怎樣消除顯性噪聲干擾的。列舉的兩個(gè)例子中，噪聲都是在傳播段的末尾開始，長(zhǎng)度為傳播時(shí)間段與相位緩沖段1的和。

圖4

在第一個(gè)例子里，同步跳轉(zhuǎn)寬度大于或者等于噪聲跳變沿的相位誤差，因此采樣點(diǎn)適當(dāng)移動(dòng)，采樣值為隱性位，消除了噪聲。在第二個(gè)例子中，同步跳轉(zhuǎn)寬度小于沿相位誤差，采樣點(diǎn)移動(dòng)的長(zhǎng)度不夠，顯性值被當(dāng)作總線的真實(shí)值采樣。

4． 振蕩器容差范圍

影響振蕩器容差范圍的因素有相位緩沖段1、相位緩沖段2、同步跳轉(zhuǎn)寬度和位時(shí)間。最大容差范圍需要滿足下面兩個(gè)條件：

I：df= I I：df=

需要注意的是同步跳轉(zhuǎn)寬度不能大于相位緩沖段1和2中的任何一個(gè)。

5． CAN控制器的配置與延遲時(shí)間的計(jì)算

配置CAN控制器最關(guān)鍵的部分就是對(duì)兩個(gè)寄存器的設(shè)置。寄存器0決定傳播時(shí)間段、相位緩沖段1和相位緩沖段2；寄存器2決定同步跳轉(zhuǎn)寬度和分頻值。在位定時(shí)寄存器中，TSEG1，TSEG2，SJW和BRP設(shè)定的值要比其功能值小1，因此設(shè)定范圍是[0…..N-1]而不是[1…..N]。所以位時(shí)間可以由 [TSEG1+TSEG2+3]tq或者[同步段+傳播段+相位緩沖段1+相位緩沖段2]tq得到。

當(dāng)總線延遲時(shí)間很小時(shí)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的輸入延遲和輸出延遲就要求很精確。在位定時(shí)的設(shè)置中，只有節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出延遲需要知道。我們可以通過下述方法計(jì)算延遲時(shí)間。在總線上輸入一個(gè)顯性脈沖，長(zhǎng)度為一個(gè)位時(shí)間的長(zhǎng)度，處于空閑狀態(tài)的錯(cuò)誤激活節(jié)點(diǎn)將認(rèn)為是幀起始因而會(huì)產(chǎn)生一次硬同步，6個(gè)隱性位過后，總線節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)填充位錯(cuò)誤，發(fā)出錯(cuò)誤激活標(biāo)志。我們可以得到從發(fā)送顯性脈沖開始到接收錯(cuò)誤激活標(biāo)志結(jié)束的這段時(shí)間t1。t1包括節(jié)點(diǎn)輸入延遲和輸出延遲、同步延遲以及多個(gè)位時(shí)間。同步延遲由時(shí)鐘振蕩器決定。在位時(shí)間里，時(shí)鐘同步延遲由同步段補(bǔ)償，因此在計(jì)算延遲時(shí)間時(shí)，要通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘振蕩器的相位來消除它。為了獲得較為精確的延遲時(shí)間，我們必須對(duì)時(shí)鐘振蕩器的相位以及總線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整以獲得最小的t1。因此，輸入輸出延遲時(shí)間t2=min（t1）─7o（正常位時(shí)間）。

6．小結(jié)

位時(shí)間的范圍是8~25個(gè)時(shí)間份額，時(shí)間份額的大小由分頻值確定。我們首先要確定的是傳播時(shí)間段。大小由總線延遲時(shí)間決定。在一個(gè)可以擴(kuò)展的總線結(jié)構(gòu)中，最大節(jié)點(diǎn)延遲和總線最大長(zhǎng)度必須考慮。一般情況下，每米延遲為5.5ns。

同步段的長(zhǎng)度為1個(gè)時(shí)間份額。因此相位緩沖段的長(zhǎng)度為(時(shí)間份額總數(shù)-1-傳播時(shí)間段時(shí)間份額數(shù))tq，如果剩余的份額數(shù)是偶數(shù)，那么應(yīng)有相位緩沖段1=相位緩沖段2，或者相位緩沖段2=相位緩沖段1+1。而且，相位緩沖段2的最小長(zhǎng)度不應(yīng)小于控制器的信息處理時(shí)間，通常情況下，應(yīng)該大于2個(gè)時(shí)間份額。

同步跳轉(zhuǎn)寬度的最大值、相位緩沖段1的最小值都是4個(gè)時(shí)間份額。

如果有多個(gè)配置可以選擇，那么應(yīng)該選擇具有最高振蕩器容差范圍的參數(shù)配置。如果總線上有不同時(shí)鐘的節(jié)點(diǎn)，那么在計(jì)算傳播時(shí)間段時(shí)，應(yīng)該以具有最大延遲的那個(gè)節(jié)點(diǎn)為準(zhǔn)。振蕩器容差范圍的確定應(yīng)以對(duì)振蕩器容差范圍要求最高的節(jié)點(diǎn)為準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

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Florian Hartwich. The Configration of the CAN Bit Timming PHILIPS Semiconductors 公司. CAN SPECIFICATION, 1991,9

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