優(yōu)化CAN節(jié)點(diǎn)位時(shí)序以適應(yīng)數(shù)字隔離器傳播延遲

控制器局域網(wǎng)（CAN）由ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)定義，廣泛用于工業(yè)和汽車應(yīng)用中。CAN協(xié)議（比如DeviceNet或CANOpen）依賴內(nèi)置的錯(cuò)誤檢查和差分信號(hào)采樣。電流隔離可進(jìn)一步增強(qiáng)魯棒性，能夠抗高壓瞬變，但會(huì)增加傳播延遲。CAN節(jié)點(diǎn)經(jīng)過優(yōu)化配置，哪怕存在隔離時(shí)也具有最大數(shù)據(jù)速率和傳送距離。

為什么傳播延遲很重要

傳播延遲會(huì)影響節(jié)點(diǎn)間的并發(fā)傳輸和仲裁。沖裁依賴于CAN信號(hào)發(fā)送；邏輯0表示“主動(dòng)”（總線間的差分電壓），邏輯1表示“被動(dòng)”（全部輸出為高阻抗），意味著主動(dòng)位將覆蓋被動(dòng)位。發(fā)射時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)監(jiān)控總線；而發(fā)射被動(dòng)位時(shí)則停止，從而允許另一個(gè)節(jié)點(diǎn)贏得仲裁（圖1中的節(jié)點(diǎn)A）。

圖1.兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的仲裁

傳播延遲不可過大，否則可能在其他節(jié)點(diǎn)傳播主動(dòng)狀態(tài)之前會(huì)監(jiān)控總線狀態(tài)。對(duì)于圖2中的節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B，往返時(shí)間很關(guān)鍵；該時(shí)間等于TPropAB加TPropBA，或者等于通過電纜和收發(fā)器延遲時(shí)間的兩倍，包括隔離（如有）。相比光耦合器，數(shù)字隔離器可降低傳播延遲，但系統(tǒng)允許的總傳播延遲是固定的，因此加入隔離可能會(huì)降低最大電纜距離。

圖2.帶傳播延遲的仲裁

傳播延遲補(bǔ)償

若要補(bǔ)償隔離引起的傳播延遲，可調(diào)節(jié)特定的CAN控制器參數(shù)。首先為CAN控制器時(shí)鐘設(shè)置波特率預(yù)分頻器（BRP）值，該值定義劃分位時(shí)間的“時(shí)間量子”（TQ）。它們適用于3或4段，如圖3所示；一個(gè)用來同步，另外數(shù)個(gè)用于傳播延遲（PROP）以及相位段1和2（PS1和PS2）。PS2和總TQ表示采樣點(diǎn)位置。

第一步：匹配時(shí)鐘、預(yù)分頻器和數(shù)據(jù)速率

對(duì)于給定的數(shù)據(jù)速率來說，第一步是檢查如何組合時(shí)鐘和BRP，才能讓TQ等于整數(shù)。1 Mbps示例如表1所示。該例采用ADI ADSP-BF548 Blackfin微處理器，內(nèi)置CAN控制器。采用典型系統(tǒng)時(shí)鐘（fsclk）值，TQ整數(shù)值以粗體顯示（用于1 Mbps的有效時(shí)鐘/BRP組合）。

表1.用于1 Mbps的時(shí)鐘和BRP組合

第二步：位段配置

下一步是定義位段，并將采樣點(diǎn)設(shè)得盡可能晚。對(duì)于表1中的每一個(gè)有效選項(xiàng)，SYNC段必須允許有一個(gè)TQ，并且TSEG2 （PS2）段必須適應(yīng)CAN控制器處理時(shí)間（只要BRP大于4，BF548就要低于1 TQ）。TSEG1 （PROP + PS1）為16 TQ（最大值）。

圖3. 1 Mbps時(shí)最大傳播延遲的可能BF548位段

第三步：計(jì)算總線長度

圖3顯示1 Mbps的盡可能最新采樣點(diǎn)時(shí)，ADSP-BF548的可能配置。除5 TQ總和外的所有配置均為至少85%采樣點(diǎn)，但10 TQ時(shí)可達(dá)最佳值，此時(shí)要求fsclk = 50 MHz且BRP = 5.

最后一步是確定最優(yōu)配置下的最大傳播延遲，并決定所選CAN收發(fā)器/隔離的可能電纜長度。對(duì)于圖4中處理器的最佳配置，可能的最大傳播延遲為900 ns.

圖4.采用ADM3053的隔離式CAN節(jié)點(diǎn)，集成isoPower

圖1中的ADI ADM3053集成CAN收發(fā)器、數(shù)字隔離器和隔離式電源。250 ns環(huán)路延遲包括隔離器延遲（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為500 ns）。假定電纜傳播延遲為5 ns/m，這意味著采用BF548，則總線長度可達(dá)40 m（根據(jù)ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的1 Mbps最大值）。

結(jié)論

隔離可增加魯棒性，但同時(shí)也會(huì)增加發(fā)送和接收兩個(gè)方向的傳播延遲，并且仲裁時(shí)針對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)而加倍。為了補(bǔ)償延遲，可針對(duì)可能的最大傳播延遲配置CAN控制器。這樣，就有可能實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)速率和總線長度，哪怕是隔離節(jié)點(diǎn)的情況下。