CAN 總線計(jì)時(shí)權(quán)衡因素：信號(hào)速率與線纜長度的關(guān)系

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

信號(hào)傳輸速率及線纜長度限制
我們知道雙向延遲至關(guān)重要，CAN 定義可編程傳輸延遲 (PROP_SEG) 為每個(gè)位的組成部分，以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在對總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實(shí)等待足夠長的時(shí)間。PROP_SEG 的計(jì)算涉及雙向延遲和本地系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相關(guān)知識(shí)，其超出了本文的討論范圍。實(shí)際上，PROP_SEG 將采樣點(diǎn)規(guī)定在約總位時(shí)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(shí)間的一小段。

CAN 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，線纜為 5ns 每米傳輸延遲，1Mbps 信號(hào)速率時(shí)最大線纜長度為 40 米。位時(shí)間為 1000ns 時(shí)，最遲采樣點(diǎn)（由PROP_SEG設(shè)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(guān)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(dòng)器和接收機(jī)延遲。由于雙向計(jì)算中涉及兩個(gè)收發(fā)器，因此每個(gè)收發(fā)器都應(yīng)有 225ns 或者更低的環(huán)路延遲，以支持 1Mbps 信號(hào)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(hù)組件，則這些組件產(chǎn)生的延遲必須也包括在總延遲預(yù)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(hào)都必須通過四個(gè)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(shí)間）。1Mbps 條件下，即使快速光耦合器的延遲也會(huì)縮短容許線纜長度，計(jì)算方法如方程式 1：

下面顯示了信號(hào)速率和線纜長度之間的權(quán)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(guān)隔離、電平轉(zhuǎn)換和保護(hù)）對于 500 kbps 及以上的信號(hào)速率特別明顯。

圖 4 收發(fā)器延遲影響信號(hào)速率和線纜長度的權(quán)衡（點(diǎn)擊圖片放大）
在單個(gè)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(dòng)器、接收機(jī)和兩個(gè)隔離信道！），您可以減少雙向環(huán)路延遲，并簡化您隔離式 CAN 解決方案的系統(tǒng)計(jì)時(shí)和設(shè)計(jì)。您還可以執(zhí)行一個(gè)電平轉(zhuǎn)換功能，將一個(gè) 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(dāng)然，在進(jìn)行信號(hào)速率和線纜長度相關(guān)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還存在其他一些問題。網(wǎng)絡(luò)的傳輸線路效應(yīng)表明，負(fù)載、節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)間隔和短截線長度對系統(tǒng)的信號(hào)保真度和抗干擾性都很重要。本文結(jié)尾列舉了較好的參考文獻(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)例子
為了說明這些概念，可建立一個(gè)帶有兩個(gè)隔離 CAN 節(jié)點(diǎn)和 50 米線纜的實(shí)驗(yàn)室裝置。我們預(yù)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的典型值。因此，節(jié)點(diǎn) A 的采樣點(diǎn)應(yīng)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(hào)速率（點(diǎn)擊圖片放大）

就 1Mbps 信號(hào)速率而言，在該比特結(jié)束以前，采樣點(diǎn)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(jié)

廣大設(shè)計(jì)人員正在各種應(yīng)用中使用 CAN 通信，他們需要了解計(jì)時(shí)限制和線纜長度權(quán)衡方法。信號(hào)鏈中每個(gè)組件都會(huì)影響總計(jì)時(shí)預(yù)算，同時(shí)必須考慮雙向延遲以確保可靠的通信。使用如 ISO1050 等快速收發(fā)器可保證 CAN 信號(hào)按時(shí)完成雙向傳輸，只有比 Pecos Bill 更快才能游過墨西哥灣。