CAN總線位定時(shí)和同步的研究與設(shè)計(jì)

引 言
控制器局域網(wǎng)CAN是一種用于連接汽車和工業(yè)場(chǎng)合中電子控制模塊、傳感器和執(zhí)行器的串行、多主通信規(guī)范。由于CAN總線具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力、支持差分收發(fā)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，因此CAN總線用途非常廣泛，現(xiàn)已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的主流技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)，目前比較流行的TTCan，DeviceNet，CANo-pen，SAE J1939等規(guī)范均是以CAN為基礎(chǔ)的，因此對(duì)CAN總線的深入研究是十分必要的。在CAN規(guī)范中，位定時(shí)和同步機(jī)制是既重要又難于理解的環(huán)節(jié)之一，它不僅關(guān)系到對(duì)波特率、總線長(zhǎng)度等相關(guān)內(nèi)容的理解，甚至對(duì)節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的成功與否產(chǎn)生直接的影響。然而，目前相關(guān)文獻(xiàn)均缺乏針對(duì)CAN總線位定時(shí)和同步機(jī)制的詳細(xì)分析和探討。在此以CAN技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)，深入分析CAN總線的位定時(shí)和同步機(jī)制，給出硬同步和重同步的定義，并給出相應(yīng)的圖解解釋方式，對(duì)位時(shí)間的組成與結(jié)構(gòu)、同步的發(fā)生時(shí)刻、同步是如何進(jìn)行的等關(guān)鍵內(nèi)容給出了明確而又具體的分析。這里的工作對(duì)理解位定時(shí)和同步機(jī)制的本質(zhì)、指導(dǎo)位時(shí)間參數(shù)的設(shè)置均具有較高的參考價(jià)值。

1 位定時(shí)
1．1 位時(shí)間的組成
位時(shí)間(位周期)tB即1位的持續(xù)時(shí)間。正常位時(shí)間tNBT是正常位速率fNBT(在非重同步的情況下，借助理想發(fā)送器每秒發(fā)送的位數(shù))的倒數(shù)，即tNBT=1／fNBT。正常位時(shí)間可劃分為幾個(gè)互不重疊的時(shí)間段，這些時(shí)間段包括：同步段(SYNC-SEG)、傳播時(shí)間段(PROP-SEG)、相位緩沖器段1(PHASE-SEG1)、相位緩沖器段2(PHASE-SEG2)。每個(gè)時(shí)間段由整數(shù)個(gè)被稱為時(shí)間份額tQ的基本時(shí)間單位組成。tQ是由振蕩器周期tCLK派生出的一個(gè)固定時(shí)間單元。一個(gè)時(shí)間份額的持續(xù)時(shí)間通常便是CAN的一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期tSCL。tSCL可通過(guò)可編程的預(yù)引比例因子進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)位時(shí)間必須由8～25個(gè)時(shí)間份額組成。位時(shí)間的組成如圖1所示。

位時(shí)間的各個(gè)時(shí)間段均有其特定的用途：
(1)同步段用于使總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步，要求有1個(gè)跳變沿位于此段內(nèi)，該段長(zhǎng)度為1個(gè)時(shí)間份額；
(2)傳播時(shí)間段用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延時(shí)，它是信號(hào)在總線上傳播時(shí)間、輸入比較器延時(shí)和輸出驅(qū)動(dòng)器延時(shí)之和的2倍，該段長(zhǎng)度為1～8個(gè)時(shí)間份額；
(3)相位緩沖器段1和相位緩沖器段2用于補(bǔ)償沿的相位誤差，通過(guò)重同步，相位緩沖器段1可被延長(zhǎng)或相位緩沖器段2可被縮短。
這些時(shí)間段的長(zhǎng)度均是可編程的。在常用的通信控制器(SJA1000)或PAC82C200中，合并傳播時(shí)間段和相位緩沖器段1，稱為時(shí)間段1(TSEGl)，相位緩沖器段2稱為時(shí)間段2(TSEG2)，如圖1所示。
采樣點(diǎn)是這樣一個(gè)時(shí)刻：在此時(shí)刻上，總線電平被讀取并被理解為其自身的數(shù)值。它位于相位緩沖器段1的終點(diǎn)。在重同步期間，采樣點(diǎn)的位置被移動(dòng)整數(shù)個(gè)時(shí)間份額，該時(shí)間份額被允許的最大值稱為重同步跳轉(zhuǎn)寬度(SJW)，它可被編程為1～4個(gè)時(shí)間份額。值得注意的是，重同步跳轉(zhuǎn)寬度并不是位時(shí)間的組成部分。
1．2 位定時(shí)的作用
位定時(shí)是由節(jié)點(diǎn)自身完成的(可編程)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位定時(shí)的作用為：
(1)確定位時(shí)間，以便確定波特率(位速率)，從而確定總線的網(wǎng)絡(luò)速度；或在給定總線的網(wǎng)絡(luò)速度的情況下確定位時(shí)間；
(2)確定1位的各個(gè)組成部分――同步段、傳播時(shí)間段、相位緩沖器段1和相位緩沖器段2的時(shí)間長(zhǎng)度，其中同步段用于硬同步，位于相位緩沖器段1終點(diǎn)的采樣點(diǎn)用于保證正確地讀取總線電平；
(3)確定重同步跳轉(zhuǎn)寬度以用于重同步。

2 CAN總線同步機(jī)制分析
CAN規(guī)范定義了自己獨(dú)有的同步方式：硬同步和重同步。同步與位定時(shí)密切相關(guān)。同步是由節(jié)點(diǎn)自身完成的，節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到來(lái)自總線的沿與其自身的位定時(shí)相比較，并通過(guò)硬同步或重同步適配(調(diào)整)位定時(shí)。在一般情況下，引起硬同步和重同步發(fā)生的、來(lái)自總線的沿如圖2所示。

2．1 硬同步
CAN技術(shù)規(guī)范給出了硬同步和重同步的結(jié)果，但沒(méi)有給出硬同步和重同步的定義。這里首先給出硬同步和重同步的定義，然后對(duì)其進(jìn)行分析。
所謂硬同步，就是由節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的，來(lái)自總線的沿強(qiáng)迫節(jié)點(diǎn)立即確定出其內(nèi)部位時(shí)間的起始位置(同步段的起始時(shí)刻)。硬同步的結(jié)果是，沿到來(lái)時(shí)刻的前一時(shí)刻(以時(shí)間份額tQ量度)，即成為節(jié)點(diǎn)內(nèi)部位時(shí)間同步段的起始時(shí)刻，并使內(nèi)部位時(shí)間從同步段重新開(kāi)始。這就是規(guī)范中所說(shuō)的“硬同步強(qiáng)迫引起硬同步的沿處于重新開(kāi)始的位時(shí)間同步段之內(nèi)”。硬同步一般用于幀的開(kāi)始，即總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部位時(shí)間的起始位置(同步段)是由來(lái)自總線的一個(gè)報(bào)文幀的幀起始的前沿決定的。
同步段的時(shí)間長(zhǎng)度為1個(gè)時(shí)間份額。如圖3所示．來(lái)自總線的引起硬同步的沿在t1時(shí)刻到來(lái)，則節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到該沿。將t1時(shí)刻的前一時(shí)刻t0(以tQ為周期)作為內(nèi)部位時(shí)間同步段的起始時(shí)刻。

2．2 重同步
所謂重同步，就是節(jié)點(diǎn)根據(jù)沿相位誤差的大小調(diào)整其內(nèi)部位時(shí)間，以使節(jié)點(diǎn)內(nèi)部位時(shí)間與來(lái)自總線的報(bào)文位流的位時(shí)間接近或相等。作為重同步的結(jié)果，PHASE-SEG1可被延長(zhǎng)或PHASE-SEG2可被縮短，從而使節(jié)點(diǎn)能夠正確地接收?qǐng)?bào)文。重同步一般用于幀的位流發(fā)送期間，以補(bǔ)償各個(gè)節(jié)點(diǎn)振蕩器頻率的不一致。這里涉及到沿相位誤差的概念。沿相位誤差由沿相對(duì)于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部位時(shí)間同步段的位置給定，以時(shí)間份額量度，沿相位誤差的符號(hào)為e，其定義如下：
(1)若沿處于SYNC～SEG之內(nèi)，則e=0；
(2)若沿處于采樣點(diǎn)之前(TSEG1內(nèi))，則e>0；
(3)若沿處于前一位的采樣點(diǎn)之后(TSEG2內(nèi))，則e0。
CAN技術(shù)規(guī)范中也給出了重同步跳轉(zhuǎn)寬度，重同步策略與同步規(guī)則，但比較抽象、不易理解。為深入理解節(jié)點(diǎn)是如何進(jìn)行重同步的，圖4給出了重同步的圖解。在圖4中，SY，PR，PS1和PS2分別表示同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2。假定總線位流的第一位(幀起始，為“0”)起始于t1時(shí)刻、終止于t2時(shí)刻，總線位流的第2位為“1”；從第2位開(kāi)始，總線位流的“隱性”(“1”)至“顯性”(“0”)和“顯性”(“0”)至“隱性”(“1”)的跳變沿均用于重同步。在t1時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線的跳變沿，便進(jìn)行硬同步，使t1時(shí)刻的跳變沿處于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部第1位位時(shí)間的同步段內(nèi)。節(jié)點(diǎn)從第1位的同步段開(kāi)始啟動(dòng)內(nèi)部位定時(shí)，即根據(jù)系統(tǒng)要求的波特率給出內(nèi)部位時(shí)間?，F(xiàn)假定由于各節(jié)點(diǎn)振蕩器頻率的不一致，在t2時(shí)刻的跳變沿未處于節(jié)點(diǎn)第2位位時(shí)間的同步段SY內(nèi)，而是處于PS1內(nèi)，即有e>0。這表明節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的位時(shí)間小于總線位流的位時(shí)間。為了使節(jié)點(diǎn)能從總線上通過(guò)采樣得到正確的位數(shù)值，需使節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的位時(shí)間延長(zhǎng)，以使節(jié)點(diǎn)內(nèi)部位時(shí)間與總線位流位時(shí)間接近或相等。因此，在這種情況下節(jié)點(diǎn)應(yīng)采取的重同步策略為：使PS1延長(zhǎng)一定寬度(圖4中PS1延長(zhǎng)2個(gè)時(shí)間份額，即同步跳轉(zhuǎn)寬度為大于等于2個(gè)時(shí)間份額，如為3個(gè)時(shí)間份額)。e0的情況與之類似，只是PS2會(huì)相應(yīng)地縮短一定寬度。這與CAN技術(shù)規(guī)范中的重同步策略是一致的。