隔離型CAN收發(fā)器的延時分析

CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)同時向總線傳輸數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(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)對每一個位進(jìn)行監(jiān)聽，并且必須服從于更高優(yōu)先級的消息，因此它們的響應(yīng)時間必須快到能夠在破壞下一個比特以前終止傳輸。

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

如圖1所示，節(jié)點(diǎn)A在時間t=0時開始發(fā)送一條消息，從而在總線（2）上傳輸一個顯性位。有可能出現(xiàn)的情況是，節(jié)點(diǎn)B剛好在節(jié)點(diǎn)A的信號被接收到以前（3）開始發(fā)送，也即時間t=199ns。當(dāng)時間t=1000ns，節(jié)點(diǎn)A第二位開始之初，在節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)到隱性狀態(tài)以前（4）兩個節(jié)點(diǎn)都沒意識到對方的有效性。然后，節(jié)點(diǎn)B在時間t=1199ns的第二位開始之初（6），轉(zhuǎn)到隱性狀態(tài)。另一個單向延遲以后，該隱性電平才到達(dá)節(jié)點(diǎn)A，時間 t=1399ns（8）。只有在這時，節(jié)點(diǎn)A才能讀取RXD信號，并且可以確定其代表總線的真實(shí)狀態(tài)。

從分析可知，只有通過兩倍單向延時，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位時間預(yù)算范圍內(nèi)。否則，在第二個位仲裁完成以前，節(jié)點(diǎn)A就可能開始傳送其第三個位。

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的每一個位時間都定義一段時間，用于補(bǔ)償雙向延時，即PROP_SEG傳播段?？倐鬏斞訒r必須小于PROP_SEG的設(shè)定時間，而采樣點(diǎn)在PROP_SEG之后，保證每個節(jié)點(diǎn)在對總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實(shí)等待足夠長的時間，使采樣數(shù)據(jù)正確。（PROP_SEG為位時間配置的范疇，超出本文范圍，如需要更深入的了解，請查閱相關(guān)的文獻(xiàn)。）

CAN 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，線纜的傳輸延遲為5ns/m，1Mbps信號速率時最大線纜長度為40m。通信速率為1Mbps，即位時間為1000ns，PROP_SEG設(shè)定為650ns時，由于線纜本身具有200ns的單向延時（即400ns的雙向延時），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，如果CAN底層硬件的傳輸延時只要小于250ns，線纜長度即可達(dá)到40m。

CAN 收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“循環(huán)延時”，其包括驅(qū)動器和接收機(jī)延遲。由于雙向計(jì)算中涉及兩個收發(fā)器，因此每個收發(fā)器都應(yīng)有125ns或者更低的循環(huán)延時，以支持1Mbps信號速率下40m的總線長度。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)生的延時也必須包括在總延時預(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，而全部雙向信號必須經(jīng)過4個光耦，加上單個TJA1051約120ns的典型循環(huán)路延時，總的循環(huán)延時達(dá)到480ns。在位時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)的容許線纜長度。

而采用圖3所示的隔離方案，單個CTM1051KT的循環(huán)延時典型為130ns，與單個TJA1051的循環(huán)延時基本一致，在位時間配置不變的情況下，CTM1051KT自帶隔離基本不會對容許線纜長度造成影響，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通信的原理及信號線傳輸?shù)脑?，盡量減小CAN信號傳輸?shù)难訒r時間，從而提高實(shí)際通信的距離。