CAN標(biāo)準(zhǔn)中的時鐘容差修正建議

　　CAN是事件觸發(fā)的通信協(xié)議，它用標(biāo)識符(ID)的無損仲裁方法調(diào)度不同消息的傳送。仲裁依靠的是位值，因此位值采樣準(zhǔn)確性很重要。為在所有節(jié)點(diǎn)得到相同的準(zhǔn)確的采樣，位時間的同步就是關(guān)鍵。正常傳送中也要克服節(jié)點(diǎn)間時鐘差造成的采樣點(diǎn)變動，減少讀出時的錯誤。但是位時間能否實(shí)現(xiàn)同步，取決于時鐘的偏差。為此CAN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了時鐘容差的計算方法?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計算公式不夠用，它會影響應(yīng)用的可靠性。特別是汽車工業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)兒939是基于CAN 2.0B的，時鐘容差對CAN 2.OB的影響較大，因此對此加以修正非常重要。對于標(biāo)準(zhǔn)的完整理解不僅與應(yīng)用有直接關(guān)系，對進(jìn)一步提高CAN性能也會有新的啟示。

　　1 ISO 1 1898-1：2003關(guān)于時鐘容差的規(guī)定

　　ISO 11898-1：2003第12.4.1.2款規(guī)定位時間單位為Tq，它是可組態(tài)的參數(shù)。1位共有NTQ(8～25)個Tq，Tq由振蕩器分頻而得，受硬件的振蕩器與分頻器資源所限，其選擇有限。每1位分成4段：同步段S(Tq)、傳輸段Pr(Tq～8Tq)、緩沖1段P1(Tq～8Tq)和緩沖2段P2(Tq～8 Tq)，它們都是可組態(tài)的參數(shù)。位值的采樣在P1與P2的分界處。CAN將同步分為2種：硬同步和重同步?？偩€空閑時開始新幀SOF的隱位到顯位的跳變沿(R/D跳變沿)引起硬同步，立即復(fù)位本地位時間到S段。在幀傳送中的R/D跳變沿引起重同步，跳變沿落在上一位采樣后的P2段時將該P(yáng)2縮短，跳變沿落在S后時加長本位P1的長度，此時本地位時間修正的最大絕對量不超過SJW(重同步跳轉(zhuǎn)寬度)的值。SJW是1個組態(tài)參數(shù)，在Tq～4 Tq之間。關(guān)于CAN位時間與同步的一些較為深入的探討可參見參考文獻(xiàn)。

　　在CAN標(biāo)準(zhǔn)中，采用振蕩器容差這一術(shù)語來代表時鐘容差。實(shí)際實(shí)現(xiàn)時，有的實(shí)現(xiàn)方案用振蕩器加鎖相環(huán)構(gòu)成時鐘，此時CAN的時鐘偏差就由2部分構(gòu)成。為了與標(biāo)準(zhǔn)文字一致，本文不把時鐘容差與振蕩器容差嚴(yán)格區(qū)分。將振蕩器的頻率相對誤差表示為△，時，按ISO11898-1的12.4.2.5款規(guī)定，它的約束有2條。

　?、僬魉蜁r由于CAN填充位規(guī)則，重同步的距離最多為10位。為同步正確，有：

　　(2×△f)×10×NBTSJW (1)

　　其中，NBT為標(biāo)稱位時間。

　　②出錯時，有錯的節(jié)點(diǎn)要發(fā)報錯幀。為了區(qū)分是本地錯還是全局錯，要考察發(fā)出主動報錯標(biāo)志后的第7位是否還是顯位。由于出錯前可能有6位顯位，所以2個同步段S相隔13位。容許的差小于緩沖段長：

　　(2×△f)×(13×NBT-P2)MIN(P1，P2) (2)

　　在2個不等式中選最小者為本應(yīng)用的時鐘容差。例如Tbit=1 000 ns，總線長20 m，收發(fā)器的延遲為150 ns時，整個傳輸延遲為Tprop=500 ns，取Tq=125 ns，算出Pr=4，P1=1，P2=2，SJW=1，NBT=8。由上述二式算出的△f分別為0.006 25和0.004 90，取其中小者0.004 90，即接近0.5%。

　　2 發(fā)送器時鐘同步中產(chǎn)生的問題

　　CAN總線具有顯位優(yōu)先于隱位的特性，即當(dāng)總線上有多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送時，只要有1個節(jié)點(diǎn)發(fā)的是顯位，總線上最終的結(jié)果就是顯位。所以當(dāng)2個相距有一定距離的節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送顯位時，由于傳輸需要時間，在一個節(jié)點(diǎn)處看不到另一個節(jié)點(diǎn)的R/D跳變沿(如圖1所示，e為同步的相位差)，因?yàn)榭偩€的電平早已被該節(jié)點(diǎn)置為顯位。

　　在這種情況下，節(jié)點(diǎn)A、B即使時鐘有差別，也無法建立同步。設(shè)A比B快，僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)A的同步段S比節(jié)點(diǎn)B的同步段S越來越超前，且其超前量大于傳輸時間時，節(jié)點(diǎn)B才能看見A的R/D跳變沿，B才會開始進(jìn)行同步。

　　現(xiàn)在分析2個發(fā)送器在仲裁區(qū)的同步問題。假定它們看到總線空閑并同時開始發(fā)送，它們的ID只是最后1位不同。有文獻(xiàn)介紹發(fā)送節(jié)點(diǎn)同步過程時，假定總線空閑時有1個發(fā)送器領(lǐng)先于其他發(fā)送器，且超過Pr/2段發(fā)送的情況。由于事件發(fā)生的隨機(jī)性，這只是特例。對于定時消息，它們由本節(jié)點(diǎn)的時鐘觸發(fā)。但本地時鐘問并無同步，它們之間又存在頻率差異，所以定時消息規(guī)定應(yīng)發(fā)出的時間的相位差會周期性地變化。1個發(fā)送器領(lǐng)先所有其他發(fā)送器的情況也只是特例。在本文假設(shè)下，由于在ID前各位出現(xiàn)的R/D跳變沿均未被對方看見，它們之間沒有同步關(guān)系。到最后1位，假定時鐘慢的節(jié)點(diǎn)有顯位而時鐘快的節(jié)點(diǎn)有隱位，并假定ID前1位是隱位，那么慢節(jié)點(diǎn)的R/D跳變沿將可能被快的節(jié)點(diǎn)看到。但是，它將有很大的相位差，可能已經(jīng)超過了重同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW，從而無法使該快節(jié)點(diǎn)正確同步，便會導(dǎo)致采樣在慢節(jié)點(diǎn)送來的電平尚未穩(wěn)定的地方產(chǎn)生位值讀錯。

　　在CAN 2.0B的29位ID的最后1位，即仲裁域的第31位，由于可能還有7個填充位，即已有37位未進(jìn)行同步。為了采樣正確，未同步時快慢發(fā)送節(jié)點(diǎn)同步段的差應(yīng)小于重同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW：

　　(2×△f)×37×NBT≤SJW (3)

　　以前述例子的數(shù)據(jù)，NBT=8，SJW=1，得△f≤0.001 68，減小了很多。