配置控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)位時(shí)序，優(yōu)化系統(tǒng)性能

簡(jiǎn)介

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)可在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)之間提供強(qiáng)大的通信能力，支持多種數(shù)據(jù)速率和距離。CAN具有數(shù)據(jù)鏈路層仲裁、同步和錯(cuò)誤處理等特性，廣泛用于工業(yè)、儀器儀表和汽車(chē)應(yīng)用之中。在ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的框架下，借助分布式多主機(jī)差分信令和內(nèi)置故障處理功能，DeviceNet、CANopen等多種協(xié)議針對(duì)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式。本文旨在描述如何針對(duì)給定應(yīng)用優(yōu)化設(shè)置，同時(shí)考慮控制器架構(gòu)、時(shí)鐘、收發(fā)器、邏輯接口隔離等硬件限制。文章將集中介紹網(wǎng)絡(luò)配置問(wèn)題——包括數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度——說(shuō)明何時(shí)有必要對(duì)CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新配置，以及如何從一開(kāi)始就實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化配置。

邏輯接口隔離

對(duì)于惡劣的工業(yè)和汽車(chē)環(huán)境，可通過(guò)隔離CAN收發(fā)器的邏輯接口進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，允許接地節(jié)點(diǎn)之間出現(xiàn)較大的電位差，同時(shí)提供抗高電壓瞬變能力。 將CAN收發(fā)器與數(shù)字隔離器集成起來(lái)即可形成隔離式CAN節(jié)點(diǎn)。 ADM3052、ADM3053和ADM3054隔離式CAN收發(fā)器提供多種接口供電選項(xiàng)。 對(duì)于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，隔離側(cè)可通過(guò)總線供電;因此，ADM3052集成了一個(gè)線性調(diào)節(jié)器，以便利用24 V總線電源提供5 V電源。ADM3053(如圖1所示)集成了一個(gè)isoPower DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于驅(qū)動(dòng)收發(fā)器和數(shù)字隔離器的總線端。已有一個(gè)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠在隔離柵上提供電源的系統(tǒng)可以采用ADM3054，后者只集成了數(shù)字隔離器和CAN收發(fā)器。

圖1. 隔離式CAN節(jié)點(diǎn)(ADM3053收發(fā)器由isoPower DC-DC供電)

傳播延遲的影響

部署一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)隔離式或非隔離式CAN收發(fā)器，以及一個(gè)搭載有相應(yīng)協(xié)議堆棧的CAN控制器或處理器?？梢允褂锚?dú)立式CAN控制器，甚至可以使用不帶標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議堆棧的控制器，但是，CAN應(yīng)用中使用的微處理器可能已經(jīng)包括CAN控制器。在任一情況下，都必須對(duì)CAN控制器進(jìn)行配置，以調(diào)和總線上的數(shù)據(jù)速率和時(shí)序，而硬件振蕩器則用于控制器。

隨著電纜長(zhǎng)度的增加，信號(hào)中的高頻組分衰減，因此，長(zhǎng)距離條件下的數(shù)據(jù)速率都有限。 總線是一種多主機(jī)，因此，所有節(jié)點(diǎn)都可以嘗試同時(shí)傳輸，仲裁取決于物理層信令。傳播延遲也會(huì)隨電纜長(zhǎng)度而增加，可能對(duì)節(jié)點(diǎn)間同步和仲裁形成干擾。

CAN總線上的差分信號(hào)可能處于兩種狀態(tài)之一：主動(dòng)(邏輯0，信號(hào)線路CANH和CANL之間存在一個(gè)差分電壓)或被動(dòng)(邏輯1，無(wú)差分電壓，所有CAN收發(fā)器輸出均為高阻抗)。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)嘗試同時(shí)傳輸，則主動(dòng)位傳輸會(huì)覆蓋同時(shí)進(jìn)行的被動(dòng)位傳輸，因此，在傳輸時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都必須監(jiān)控總線狀態(tài)，如果在傳輸被動(dòng)位時(shí)發(fā)生覆蓋，則要停止傳輸。如此，傳輸主動(dòng)位的節(jié)點(diǎn)贏得仲裁，如圖2所示。

圖2. 兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間的仲裁邏輯

CAN 2.0b定義的是數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)用于傳輸?shù)腃AN幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)定。一個(gè)包含消息ID的仲裁字段啟動(dòng)消息傳輸。較低的消息ID(開(kāi)頭的零較多)將擁有更高的優(yōu)等級(jí)，因此，在傳輸消息時(shí)，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)贏得仲裁的概率更大。

盡管CAN節(jié)點(diǎn)與總線傳輸同步，但是，由于兩個(gè)同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)之間存在傳播延遲，所以不會(huì)完全同步。要讓仲裁切實(shí)發(fā)揮作用，傳播延遲不能過(guò)大，否則，較快的節(jié)點(diǎn)可能在檢測(cè)到較慢節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)奈粻顟B(tài)之前就對(duì)總線進(jìn)行采樣了。最差條件下的傳播延遲為兩個(gè)最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)間延遲的兩倍。在圖3中，如果節(jié)點(diǎn)A和B是總線上相隔最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，則至關(guān)重要的參數(shù)是雙向傳播時(shí)間PropBA與TPropBA之和。

圖3. 實(shí)際條件下兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)間的仲裁(含傳播延遲)

總傳播延遲由通過(guò)電纜、兩個(gè)CAN控制器I/O和兩個(gè)CAN收發(fā)器的雙向傳播時(shí)間構(gòu)成。CAN控制器I/O并不是傳播延遲的主要貢獻(xiàn)者，往往可以忽略不計(jì)，但進(jìn)行徹底評(píng)估時(shí)必須予以考慮。循環(huán)時(shí)間由從TxD到CANH/CANL、再回到RxD的傳播延遲構(gòu)成。電纜傳播延遲取決于電纜和距離，典型值為5 ns/m。

在較低數(shù)據(jù)速率下，允許的位時(shí)間較長(zhǎng)，因此，傳播延遲(及電纜距離)也可能變長(zhǎng)。在最高標(biāo)準(zhǔn)CAN數(shù)據(jù)速率(即1 Mbps)下，允許的傳播延遲更受限制，盡管ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在總線長(zhǎng)40米時(shí)，可支持1 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

隔離的影響

隔離條件下，在計(jì)算雙向傳播延遲時(shí)，必須考慮額外的因素。相比光耦合器，數(shù)字隔離器可減少傳播延遲，但即使是最快的隔離式CAN收發(fā)器在這方面也與較慢的非隔離式收發(fā)器相當(dāng)。如果允許的總傳播延遲保持不變，隔離系統(tǒng)中，最大電纜長(zhǎng)度較短，但可以重新配置CAN控制器，以提高允許的總傳播延遲。

傳播延遲的補(bǔ)償

為了補(bǔ)償因較長(zhǎng)總線或隔離增加的傳播延遲，必須為CAN控制器設(shè)置與時(shí)序和同步相關(guān)的特定參數(shù)。在配置控制器時(shí)，不只是選擇一個(gè)數(shù)據(jù)速率，而是要設(shè)置決定著控制器所用位時(shí)間的變量。面向振蕩器或內(nèi)部時(shí)鐘的波特率預(yù)分頻器(BRP)設(shè)置時(shí)間量子(TQ)，位時(shí)間為T(mén)Q的倍數(shù)。振蕩器的硬件選擇，以及BRP和每位時(shí)間TQ數(shù)的軟件配置設(shè)定數(shù)據(jù)速率。

控制器的位時(shí)間分為三個(gè)或四個(gè)時(shí)間段，如圖3所示。每位時(shí)間的TQ總數(shù)包括一個(gè)同步以及傳播延遲(PROP)、相位段1 (PS1)和相位段2 (PS2)的設(shè)定數(shù)量。有時(shí)候，會(huì)把PROP和PS1加起來(lái)。配置調(diào)節(jié)采樣點(diǎn)，以支持傳播延遲和再同步。

把采樣點(diǎn)設(shè)在位時(shí)間的稍后部分可以支持更長(zhǎng)的傳播延遲，但就如總數(shù)據(jù)速率一樣，采樣點(diǎn)取決于其他時(shí)序變量，這些變量都有自己的限制。例如，內(nèi)部時(shí)鐘/振蕩器可能固定不變，只能使用整數(shù)BRP和TQ數(shù)。因此，特定電纜長(zhǎng)度要求的理想數(shù)據(jù)速率可能根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，必須縮短電纜，或者降低數(shù)據(jù)速率。

再同步會(huì)使PS1加長(zhǎng)，PS2縮短，加長(zhǎng)量和縮短量為同步跳寬(SJW)規(guī)定的TQ數(shù)，因此，PS2不得短于SJW。 SJW所需TQ數(shù)取決于CAN控制器的時(shí)鐘容差，對(duì)于SJW和PS2，晶振一般支持最小TQ數(shù)。

CAN控制器的配置

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間時(shí)序可靠、同步可靠的穩(wěn)健網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)必須能承受所選數(shù)據(jù)速率和CAN控制器時(shí)鐘條件下的傳播延遲。如果不能，可以選擇降低數(shù)據(jù)速率、縮短總線或者使用不同的CAN控制器時(shí)鐘速率。配置過(guò)程包括以下三個(gè)步驟。

第一步： 檢查時(shí)鐘和預(yù)分頻器——匹配數(shù)據(jù)速率

先核實(shí)在給定目標(biāo)數(shù)據(jù)速率和CAN控制器時(shí)鐘條件下，有哪些可能的配置。TQ間隔必須基于時(shí)鐘和各種BRP值計(jì)算，可能組合只有那些TQ間隔為位時(shí)間的整數(shù)倍的組合。根據(jù)所處系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，也可能考慮其他CAN控制器時(shí)鐘速率。在表1所示計(jì)算示例中，給定的最大數(shù)據(jù)速率為1 Mbps，使用的是一個(gè)Microchip® MCP2515獨(dú)立CAN控制器和一個(gè)內(nèi)置CAN控制器的ADSP-BF548 Blackfin 處理器。MCP2515 fOSC 取決于所使用的外部硬件振蕩器，而ADSP-BF548 fSCLK 則取決于硬件CLKIN和內(nèi)部PLL設(shè)置(VCO的CLKIN乘數(shù)，SCLK的VCO分頻)。只有CAN控制器時(shí)鐘和BRP(整數(shù)個(gè)TQ)的某些組合支持1 Mbps的數(shù)據(jù)速率，如粗體所示。 這會(huì)限制位時(shí)序的設(shè)置，因此一旦選擇某個(gè)總線數(shù)據(jù)速率，只有部分選項(xiàng)可用。

表1. 給定f和BRP時(shí)1 Mbps速率下的TQ數(shù)

第二步： 確定位段配置

下一步是確定每個(gè)位段要求的TQ數(shù)。最困難的情況是在1 Mbps的數(shù)據(jù)速率下支持最大傳播延遲，例如，電纜長(zhǎng)40米，隔離式節(jié)點(diǎn)。理想情況下，應(yīng)對(duì)位時(shí)間段進(jìn)行配置，使采樣點(diǎn)在位中盡量晚。在表1中，對(duì)于每個(gè)整數(shù)的TQ總數(shù)，一個(gè)TQ必須提供給SYNC段，PS2(或TSEG2)段必須足夠大，以容納CAN控制器信息處理時(shí)間(只要BRP大于4，MCP2515為2 TQ，ADSP-BF548為小于1 TQ)。另外，對(duì)于MCP2515，PROP和PS1最多可以各有8 TQ;對(duì)于ADSP-BF548，TSEG1 (PROP + PS1)最多可以為16 TQ。

圖4和圖5分別展示了MCP2515和ADSP-BF548的可能總TQ配置，對(duì)于1 Mbps速率條件下的有效時(shí)鐘和BRP組合，可支持最近采樣點(diǎn)。MCP2515的最佳TQ總數(shù)為19，要求38 MHz的硬件振蕩器和1的BRP。對(duì)于ADSP-BF548，TQ總數(shù)為5的情況除外，所有配置至少為85%采樣點(diǎn)，但最佳設(shè)置是10 TQ，要求fSCLK = 50 MHz且BRP = 5。

圖4. MCP2515的可能TQ總數(shù)配置(速率為1 Mbps，最大傳播延遲)

圖5. ADSP-BF548的可能TQ總數(shù)配置(速率為1 Mbps，最大傳播延遲)

第三步： 使收發(fā)器/隔離延遲和總線長(zhǎng)度與配置相匹配

在幫助CAN控制器實(shí)現(xiàn)最佳采樣點(diǎn)以后，最后一步是比較允許的傳播延遲與使用的CAN收發(fā)器/隔離器和總線長(zhǎng)度。設(shè)ADSP-BF548最佳配置為10 TQ(fSCLK= 50 MHz，BRP = 5)，可能實(shí)現(xiàn)的最大傳播延遲為900 ns。 對(duì)于集成隔離式電源的ADM3053隔離式CAN收發(fā)器，數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大環(huán)路延遲(TxD關(guān)閉，接收器處于非活動(dòng)狀態(tài))為250 ns。必須使其增加一倍(500 ns)，以便同時(shí)支持總線最遠(yuǎn)兩端的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處的發(fā)射延遲和接收延遲。

設(shè)電纜傳播延遲為5 ns/m，ADSP-BF548可以支持40米的總線長(zhǎng)度(根據(jù)ISO 11898規(guī)范，此為1 Mbps條件下的最大值)，ADSP-BF548的位時(shí)間總共為10 TQ，TSEG2位段僅1 TQ。實(shí)際上，略早的采樣點(diǎn)就夠了，因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)上的極端收發(fā)器傳播延遲甚至很可能導(dǎo)致簡(jiǎn)單的再傳輸(由數(shù)據(jù)鏈路層CAN控制器自動(dòng)處理)，但是，由于CAN控制器I/O與CAN收發(fā)器之間存在小延遲，因此建議把采樣點(diǎn)配置到盡量靠后的點(diǎn)。

結(jié)論

隔離有利于提高魯棒性，但同時(shí)也會(huì)增加發(fā)射和接收兩個(gè)方向的傳播延遲。必須使該延遲增加一倍，以支持兩個(gè)節(jié)點(diǎn)參與仲裁。 如果系統(tǒng)允許的傳播延遲是固定的，在增加隔離措施之后，可以減少電纜長(zhǎng)度或數(shù)據(jù)速率。另一種方法是重新配置CAN控制器，使其支持最大傳播延遲，以保證支持所需的數(shù)據(jù)速率和總線長(zhǎng)度，即使是在節(jié)點(diǎn)采取了隔離措施的條件下。