CAN總線位定時和同步的研究與設計

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

1 位定時
1．1 位時間的組成
位時間(位周期)tB即1位的持續(xù)時間。正常位時間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。正常位時間可劃分為幾個互不重疊的時間段，這些時間段包括：同步段(SYNC-SEG)、傳播時間段(PROP-SEG)、相位緩沖器段1(PHASE-SEG1)、相位緩沖器段2(PHASE-SEG2)。每個時間段由整數(shù)個被稱為時間份額tQ的基本時間單位組成。tQ是由振蕩器周期tCLK派生出的一個固定時間單元。一個時間份額的持續(xù)時間通常便是CAN的一個系統(tǒng)時鐘周期tSCL。tSCL可通過可編程的預引比例因子進行調(diào)整。每個位時間必須由8～25個時間份額組成。位時間的組成如圖1所示。

位時間的各個時間段均有其特定的用途：
(1)同步段用于使總線上的各個節(jié)點同步，要求有1個跳變沿位于此段內(nèi)，該段長度為1個時間份額；
(2)傳播時間段用于補償網(wǎng)絡內(nèi)的物理延時，它是信號在總線上傳播時間、輸入比較器延時和輸出驅(qū)動器延時之和的2倍，該段長度為1～8個時間份額；
(3)相位緩沖器段1和相位緩沖器段2用于補償沿的相位誤差，通過重同步，相位緩沖器段1可被延長或相位緩沖器段2可被縮短。
這些時間段的長度均是可編程的。在常用的通信控制器(SJA1000)或PAC82C200中，合并傳播時間段和相位緩沖器段1，稱為時間段1(TSEGl)，相位緩沖器段2稱為時間段2(TSEG2)，如圖1所示。
采樣點是這樣一個時刻：在此時刻上，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。在重同步期間，采樣點的位置被移動整數(shù)個時間份額，該時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個時間份額。值得注意的是，重同步跳轉(zhuǎn)寬度并不是位時間的組成部分。
1．2 位定時的作用
位定時是由節(jié)點自身完成的(可編程)，節(jié)點進行位定時的作用為：
(1)確定位時間，以便確定波特率(位速率)，從而確定總線的網(wǎng)絡速度；或在給定總線的網(wǎng)絡速度的情況下確定位時間；
(2)確定1位的各個組成部分――同步段、傳播時間段、相位緩沖器段1和相位緩沖器段2的時間長度，其中同步段用于硬同步，位于相位緩沖器段1終點的采樣點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總線同步機制分析
CAN規(guī)范定義了自己獨有的同步方式：硬同步和重同步。同步與位定時密切相關。同步是由節(jié)點自身完成的，節(jié)點將檢測到來自總線的沿與其自身的位定時相比較，并通過硬同步或重同步適配(調(diào)整)位定時。在一般情況下，引起硬同步和重同步發(fā)生的、來自總線的沿如圖2所示。

2．1 硬同步
CAN技術規(guī)范給出了硬同步和重同步的結果，但沒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，然后對其進行分析。
所謂硬同步，就是由節(jié)點檢測到的，來自總線的沿強迫節(jié)點立即確定出其內(nèi)部位時間的起始位置(同步段的起始時刻)。硬同步的結果是，沿到來時刻的前一時刻(以時間份額tQ量度)，即成為節(jié)點內(nèi)部位時間同步段的起始時刻，并使內(nèi)部位時間從同步段重新開始。這就是規(guī)范中所說的“硬同步強迫引起硬同步的沿處于重新開始的位時間同步段之內(nèi)”。硬同步一般用于幀的開始，即總線上的各個節(jié)點的內(nèi)部位時間的起始位置(同步段)是由來自總線的一個報文幀的幀起始的前沿決定的。
同步段的時間長度為1個時間份額。如圖3所示．來自總線的引起硬同步的沿在t1時刻到來，則節(jié)點檢測到該沿。將t1時刻的前一時刻t0(以tQ為周期)作為內(nèi)部位時間同步段的起始時刻。

2．2 重同步
所謂重同步，就是節(jié)點根據(jù)沿相位誤差的大小調(diào)整其內(nèi)部位時間，以使節(jié)點內(nèi)部位時間與來自總線的報文位流的位時間接近或相等。作為重同步的結果，PHASE-SEG1可被延長或PHASE-SEG2可被縮短，從而使節(jié)點能夠正確地接收報文。重同步一般用于幀的位流發(fā)送期間，以補償各個節(jié)點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于節(jié)點內(nèi)部位時間同步段的位置給定，以時間份額量度，沿相位誤差的符號為e，其定義如下：
(1)若沿處于SYNC～SEG之內(nèi)，則e=0；
(2)若沿處于采樣點之前(TSEG1內(nèi))，則e>0；
(3)若沿處于前一位的采樣點之后(TSEG2內(nèi))，則e0。
CAN技術規(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)點是如何進行重同步的，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時刻、終止于t2時刻，總線位流的第2位為“1”；從第2位開始，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時刻，節(jié)點檢測到總線的跳變沿，便進行硬同步，使t1時刻的跳變沿處于節(jié)點內(nèi)部第1位位時間的同步段內(nèi)。節(jié)點從第1位的同步段開始啟動內(nèi)部位定時，即根據(jù)系統(tǒng)要求的波特率給出內(nèi)部位時間?，F(xiàn)假定由于各節(jié)點振蕩器頻率的不一致，在t2時刻的跳變沿未處于節(jié)點第2位位時間的同步段SY內(nèi)，而是處于PS1內(nèi)，即有e>0。這表明節(jié)點內(nèi)部的位時間小于總線位流的位時間。為了使節(jié)點能從總線上通過采樣得到正確的位數(shù)值，需使節(jié)點內(nèi)部的位時間延長，以使節(jié)點內(nèi)部位時間與總線位流位時間接近或相等。因此，在這種情況下節(jié)點應采取的重同步策略為：使PS1延長一定寬度(圖4中PS1延長2個時間份額，即同步跳轉(zhuǎn)寬度為大于等于2個時間份額，如為3個時間份額)。e0的情況與之類似，只是PS2會相應地縮短一定寬度。這與CAN技術規(guī)范中的重同步策略是一致的。