隔離型CAN收發(fā)器的延時(shí)分析

CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，由于這些節(jié)點(diǎn)對(duì)每一個(gè)位進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，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。

以下通過(guò)實(shí)際例子對(duì)總線狀態(tài)進(jìn)行分析。由于實(shí)際組網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)線纜連接，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收及傳輸都會(huì)有一定的延時(shí)。CAN系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就需要考慮延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響?，F(xiàn)假設(shè)一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)，只有A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，A、B之間的總單向延時(shí)為200ns，即為A到B，或B到A的發(fā)送、傳輸及接收延時(shí)的總和。信號(hào)傳輸速率為1Mbps，即位時(shí)間為1000ns。

如圖1所示，節(jié)點(diǎn)A在時(shí)間t=0時(shí)開(kāi)始發(fā)送一條消息，從而在總線（2）上傳輸一個(gè)顯性位。有可能出現(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（3）開(kāi)始發(fā)送，也即時(shí)間t=199ns。當(dāng)時(shí)間t=1000ns，節(jié)點(diǎn)A第二位開(kāi)始之初，在節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)到隱性狀態(tài)以前（4）兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒(méi)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(kāi)始之初（6），轉(zhuǎn)到隱性狀態(tài)。另一個(gè)單向延遲以后，該隱性電平才到達(dá)節(jié)點(diǎn)A，時(shí)間 t=1399ns（8）。只有在這時(shí)，節(jié)點(diǎn)A才能讀取RXD信號(hào)，并且可以確定其代表總線的真實(shí)狀態(tài)。

從分析可知，只有通過(guò)兩倍單向延時(shí)，節(jié)點(diǎn)A才能夠判別總線的真實(shí)狀態(tài)。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)。否則，在第二個(gè)位仲裁完成以前，節(jié)點(diǎn)A就可能開(kāi)始傳送其第三個(gè)位。

為保證節(jié)點(diǎn)每位采樣到的總線電平都是總線的真實(shí)狀態(tài)，CAN的每一個(gè)位時(shí)間都定義一段時(shí)間，用于補(bǔ)償雙向延時(shí)，即PROP_SEG傳播段?？倐鬏斞訒r(shí)必須小于PROP_SEG的設(shè)定時(shí)間，而采樣點(diǎn)在PROP_SEG之后，保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在對(duì)總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實(shí)等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使采樣數(shù)據(jù)正確。（PROP_SEG為位時(shí)間配置的范疇，超出本文范圍，如需要更深入的了解，請(qǐng)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)。）

CAN 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，線纜的傳輸延遲為5ns/m，1Mbps信號(hào)速率時(shí)最大線纜長(zhǎng)度為40m。通信速率為1Mbps，即位時(shí)間為1000ns，PROP_SEG設(shè)定為650ns時(shí)，由于線纜本身具有200ns的單向延時(shí)（即400ns的雙向延時(shí)），從而使收發(fā)器和相關(guān)電路的總延遲只剩約250ns。也就是說(shuō)，如果CAN底層硬件的傳輸延時(shí)只要小于250ns，線纜長(zhǎng)度即可達(dá)到40m。

CAN 收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“循環(huán)延時(shí)”，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125ns或者更低的循環(huán)延時(shí)，以支持1Mbps信號(hào)速率下40m的總線長(zhǎng)度。如果收發(fā)器電路包括更多的器件，如隔離、電平轉(zhuǎn)換或保護(hù)組件，這些器件產(chǎn)生的延時(shí)也必須包括在總延時(shí)預(yù)算中。

在實(shí)際使用中，為了提高CAN節(jié)點(diǎn)的可靠性，CAN底層硬件通常會(huì)使用隔離設(shè)計(jì)。常用解決方案有采用光耦+CAN收發(fā)器，如6N137+TJA1051，圖2；或者直接使用隔離收發(fā)器，如CTM1051KT，圖3。

若采用圖2的隔離方案，光耦6N137具有典型的60ns單向延時(shí)，而全部雙向信號(hào)必須經(jīng)過(guò)4個(gè)光耦，加上單個(gè)TJA1051約120ns的典型循環(huán)路延時(shí)，總的循環(huán)延時(shí)達(dá)到480ns。在位時(shí)間配置不變的情況下， 1Mbps速率實(shí)際只能傳輸約17m的距離，這樣大大地縮短了CAN系統(tǒng)的容許線纜長(zhǎng)度。

而采用圖3所示的隔離方案，單個(gè)CTM1051KT的循環(huán)延時(shí)典型為130ns，與單個(gè)TJA1051的循環(huán)延時(shí)基本一致，在位時(shí)間配置不變的情況下，CTM1051KT自帶隔離基本不會(huì)對(duì)容許線纜長(zhǎng)度造成影響，完全滿足1Mbps速率下約40m的傳輸距離。

若想從硬件底層著手，在通信速率不變的情況下，增加CAN通信的距離，必須了解CAN通信的原理及信號(hào)線傳輸?shù)脑?，盡量減小CAN信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)時(shí)間，從而提高實(shí)際通信的距離。