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

有一個(gè)關(guān)于得克薩斯州民間英雄 Pecos Bill 的故事：那時(shí)，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(gè)月，當(dāng)這一天到來時(shí)他便一頭扎進(jìn)了墨西哥灣。Bill 不分晝夜地游了一個(gè)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(shí)，他意識(shí)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(jì)人員就像 Pecos Bill 一樣面對(duì)他們所遇到的種種挑戰(zhàn)，往返信號(hào)傳輸成為一個(gè)重要的考慮因素。

當(dāng)一個(gè)以上節(jié)點(diǎn)要在共用總線上發(fā)送信號(hào)時(shí)，控制器局域網(wǎng) (CAN) 協(xié)議的一個(gè)關(guān)鍵特性就是如何處理總線爭(zhēng)用問題。CAN 使用逐位仲裁 (bit-wise arbitration) 來選擇哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該繼續(xù)信號(hào)傳輸。由于這些節(jié)點(diǎn)對(duì)每一個(gè)比特位進(jìn)行監(jiān)聽，并且必須服從于更高優(yōu)先級(jí)的消息，因此它們的響應(yīng)時(shí)間必須快到能夠在破壞下一個(gè)比特以前終止傳輸。如下面三種情況所述，這就對(duì)容許組件延遲和線纜長(zhǎng)度以及可用信號(hào)速率構(gòu)成了一些限制。

情況 1：無爭(zhēng)用正常 CAN 總線運(yùn)行
通常每次只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，然后再將這種討論延伸至更多節(jié)點(diǎn)。圖 1 描述了其工作原理。首先，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于非占用狀態(tài)，因此總線上沒有差動(dòng)信號(hào)，如（1a）所示。如果節(jié)點(diǎn) A 開始通信，則其使用一個(gè)占用位啟動(dòng)一個(gè) 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(gè)邏輯 0，其命令差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器在總線線路上生成一個(gè)差動(dòng)信號(hào)，如（1b）所示。節(jié)點(diǎn) A 的接收機(jī)感應(yīng)到該差動(dòng)信號(hào)，并在已接收數(shù)據(jù)引腳 (RXD) 上輸出一個(gè)邏輯 0。差動(dòng)電壓根據(jù) (1c) 和(1d) 所示雙絞線對(duì)的傳輸線路屬性進(jìn)行傳輸。最終，差動(dòng)信號(hào)到達(dá)節(jié)點(diǎn) B，節(jié)點(diǎn) B 的接收機(jī)也在 RXD 上輸出一個(gè)邏輯 0，如 (1e) 所示。這時(shí)，節(jié)點(diǎn) B 注意到節(jié)點(diǎn) A 已經(jīng)開始一個(gè) CAN 消息，這樣節(jié)點(diǎn) B 便不會(huì)在節(jié)點(diǎn) A 完成以前發(fā)起消息。

圖 1 A 到 B 的正常信號(hào)傳輸
需要注意的是，節(jié)點(diǎn) B 并非馬上就知道節(jié)點(diǎn) A 已經(jīng)開始一條消息，因?yàn)閺?A 到 B 的信號(hào)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(diǎn)　B　不同節(jié)點(diǎn)　A　發(fā)送消息相沖突所需的關(guān)鍵計(jì)時(shí)限制。正如我們?cè)谇闆r 2 中所看到的一樣，這并非故事的全部。
情況 2：延遲爭(zhēng)用，后發(fā)消息具有更高的優(yōu)先級(jí)
我們的下一種情況（圖 2）假設(shè)，節(jié)點(diǎn) A 再次發(fā)起一條消息，但是節(jié)點(diǎn) B 在稍后發(fā)起的一條消息具有更高的優(yōu)先級(jí)。如前所述，這種情況以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)均處在非占用模式作為開始，如 (2a 所示，隨后節(jié)點(diǎn) A 變?yōu)檎加茫ㄈ纾?b）所示）發(fā)起一條消息。該占用差動(dòng)電壓再次沿線纜傳輸。在信號(hào)到達(dá) B 處的收發(fā)器以前，該節(jié)點(diǎn)剛好利用如（2c）所示占用位發(fā)起一條消息。這時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都正傳輸一個(gè)占用位，并且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都正接收一個(gè)占用位（如（2d）所示），然后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒意識(shí)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)也已啟用。由于在我們的假設(shè)情況中，節(jié)點(diǎn) A 具有比節(jié)點(diǎn) B 更低的優(yōu)先級(jí)，因此有時(shí)節(jié)點(diǎn) A 會(huì)通過將其 TXD 設(shè)置為 0（如（2e）所示）來發(fā)出一個(gè)非占用位。但是，由于節(jié)點(diǎn) B 的作用，RXD 會(huì)感應(yīng)到總線仍然處在占用狀態(tài)下。

圖 2 延遲爭(zhēng)用―B 具有高優(yōu)先級(jí)

通過研究某個(gè)具有實(shí)際延遲值的假設(shè)案例，我們可以更加具體地介紹這些計(jì)時(shí)要求。在我們的二節(jié)點(diǎn)例子中，設(shè)定總單向延遲為 200ns，信號(hào)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(shí)間便為 1000ns。除節(jié)點(diǎn) B 的第二位會(huì)是同節(jié)點(diǎn) A 的消息優(yōu)先級(jí)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(diǎn) B 具有一個(gè)占用第二位，表明更高的消息優(yōu)先級(jí)。）

圖 3 中，節(jié)點(diǎn) A 在時(shí)間 t=0 時(shí)開始一條消息，從而在總線（b）上傳輸一個(gè)占用位。如圖 2 所示，其可能出現(xiàn)的情況是，節(jié)點(diǎn) B 剛好在節(jié)點(diǎn) A 的信號(hào)被接收到以前（c）開始發(fā)送，也即時(shí)間t=199ns。當(dāng)時(shí)間 t=1000ns 的第二位開始之初，在節(jié)點(diǎn) A 轉(zhuǎn)到非占用狀態(tài)以前兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒意識(shí)到對(duì)方的有效性。然后，節(jié)點(diǎn) B 在時(shí)間 t=1199ns 的第二位開始之初，轉(zhuǎn)到非占用狀態(tài)。另一個(gè)單向延遲以后，該非占用信號(hào)到達(dá)節(jié)點(diǎn)A，時(shí)間 t=1399ns。只有在這時(shí)，節(jié)點(diǎn) A 才讀取 RXD 信號(hào)，并且可以確定其代表網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)。

圖 3 延遲爭(zhēng)用―節(jié)點(diǎn) A 和 B 具有相同的優(yōu)先級(jí)