淺析CAN總線中位定時的設(shè)定方法

摘要:在CAN總線中,位定時有一點小錯誤就會導致總線性能嚴重下降。雖然在許多情況下，位同步會修補由于位定時設(shè)置不當而產(chǎn)生的錯誤，但不能完全避免出錯情況，并且在遇到兩個或多個CAN節(jié)點同時發(fā)送的情況時，錯誤的采樣點會使節(jié)點啟動錯誤認可標志，使節(jié)點不能贏得總線上的任何活動。因此要分析、解決這樣的錯誤就需要對CAN總線位定時中的位同步和CAN節(jié)點的工作過程有一個深入的了解。本文描述了CAN總線位同步的運行規(guī)則以及如何對位定時的參數(shù)進行設(shè)置。

關(guān)鍵詞：總線 位定時 同步 延遲

1． 前言

CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達1Mbit/s，通常用石英晶振作為時鐘發(fā)生器，可以獨立進行位定時的參數(shù)設(shè)置，這樣即使網(wǎng)絡中節(jié)點之間的時鐘周期不一樣仍可獲得相同的位速率。但網(wǎng)絡中晶振的頻率不是絕對穩(wěn)定的，溫度、電壓以及器件的異常都會導致微小的差別，但只要將其穩(wěn)定在振蕩器容差范圍之內(nèi)，總線上的節(jié)點會通過重同步進行彌補。

CAN總線的一個位時間可以分成四個部分：同步段，傳播段，相位段1和相位段2，每段的時間份額的數(shù)目都是可以編程控制的，而時間份額的大小tq由系統(tǒng)時鐘tsys和波特率預分頻值BRP決定：tq=BRP/tsys。如圖1：

圖1

參數(shù)范圍說明 分頻值 [1…….32] 規(guī)定時間份額的長度 同步段 1tq 固定長度，同步總線節(jié)點 傳播時間段 [1…….8]tq 補償總線物理延遲時間 相位緩沖段1 [1…….8]tq 重同步時可以暫時延長 相位緩沖段2 [1…….8]tq 重同步時可以暫時縮短 同步跳轉(zhuǎn)寬度 [1…….4]tq 長度小于相位緩沖段表1：位時間的參數(shù)

2．同步段

（1）同步段用于同步總線上的各個節(jié)點,在此段內(nèi)期望有一個跳變沿出現(xiàn)。如果跳變沿出現(xiàn)在同步段之外，那么沿與同步段之間的長度叫做沿相位誤差。采樣點位于相位緩沖段1的末尾和相位緩沖段2開始處。

（2）傳播時間段用于補償總線上信號傳播時間和電子控制設(shè)備內(nèi)部的延遲時間。因此，要實現(xiàn)與位流發(fā)送節(jié)點的同步，接收節(jié)點必須移相。CAN總線非破壞性仲裁規(guī)定，發(fā)送位流的總線節(jié)點必須能夠收到同步于位流的CAN總線節(jié)點發(fā)送的顯性位。圖2顯示了兩個總線節(jié)點的相移和傳播段時間。

圖2

在這個例子里，節(jié)點A和節(jié)點B都是發(fā)送節(jié)點，因此總線要對兩個節(jié)點進行仲裁。節(jié)點A比節(jié)點B提前發(fā)送不到1個位時間，當節(jié)點B收到延遲后的跳變沿時，B節(jié)點要同步于A節(jié)點，對位時間進行移相。移相后節(jié)點B發(fā)送的標識號有較高優(yōu)先級，因此節(jié)點B贏得總線的使用權(quán)，如圖節(jié)點B發(fā)送的顯性位經(jīng)過延遲后到達節(jié)點A。

因為存在振蕩器容差，節(jié)點A的采樣點在相位緩沖段的位置是不能確定的，所以節(jié)點B發(fā)送的位流必須在A節(jié)點的相位緩沖段1開始之前到達，因此傳播時間段的長度將受到這個條件的限制。如果節(jié)點B發(fā)送一個隱性到顯性的跳變沿，節(jié)點A在相位緩沖段1開始之后收到，那么節(jié)點A就有可能采樣到一個隱性位，導致產(chǎn)生一個位錯誤。這樣的錯誤只有當兩個節(jié)點都參與總線仲裁,且總線比較長,節(jié)點的振蕩器頻率相差較大時才會出現(xiàn)。另外，CAN總線還提供一種采樣方式，即采樣3次，在相位緩沖段首尾以及相位緩沖段1、2的交界處各采樣一次，并通過位定時邏輯確定位的正確值，這樣就會要求額外的一個時間份額的延遲，因而需要更長的傳播時間段。

3．相位緩沖段和同步

同步跳轉(zhuǎn)寬度規(guī)定了重同步發(fā)生時采樣點在相位緩沖段內(nèi)移動的距離。相位緩沖段和同步跳轉(zhuǎn)寬度用來補償振蕩器容差，發(fā)生重同步時相位緩沖段會被加長或縮短。當總線發(fā)生從隱性到顯性跳變時，會產(chǎn)生同步，其作用是控制沿與采樣點之間的距離?？偩€節(jié)點在每個時間份額都會采樣總線，并與前一次采樣值進行比較，如果前一次采樣值是隱性而當前的采樣值是顯性，那么總線節(jié)點就會發(fā)生一次同步。如果跳變沿出現(xiàn)在同步段的前面，沿相位錯誤就是負的，反之就是正的。

在幀起始時，總線會進行一次硬同步。硬同步后,位時間由每個位定時邏輯單元在同步段之后重新啟動，強迫引起硬同步的邊沿處于重新啟動位時間的同步段內(nèi)。

當引起重同步的沿相位錯誤幅值小于或等于同步跳轉(zhuǎn)寬度的數(shù)值時，重同步導致位時間的延長或縮短，使采樣點處于適當?shù)奈恢?。當沿相位誤差幅值大于重同步跳轉(zhuǎn)寬度時，如果相位誤差為正，相位緩沖段1延長數(shù)值等于同步跳轉(zhuǎn)寬度；如果相位誤差為負，相位緩沖段2縮短數(shù)值等于同步跳轉(zhuǎn)寬度。

通過同步，總線可以有效地濾除長度小于傳播段與相位緩沖段1長度之和的噪聲。但在一個位時間里只允許一種同步發(fā)生。除了噪聲以外，絕大多數(shù)的同步都是由仲裁引起的，總線上的所有節(jié)點都要同步于最先開始發(fā)送的節(jié)點，但是由于總線延遲，節(jié)點的同步不可能達到理想的要求。如果最先發(fā)送的節(jié)點沒有贏得總線仲裁，那么所有的接收節(jié)點都要重新同步于獲得總線仲裁的節(jié)點。應答場的情況也是如此，總線上的接收節(jié)點都要同步于最先發(fā)送顯性位的節(jié)點。但是當發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的時鐘周期不同并經(jīng)過多次同步累加起來,振蕩器容差會導致同步在仲裁場之后出現(xiàn)。圖3列舉了沿相位誤差為正負兩種情況，中間的圖作為參考。說明了相位緩沖段如何彌補沿相位錯誤。

圖3

在第一個例子里，同步段末端出現(xiàn)了一個隱性到顯性的跳變沿，那么相位緩沖段1將加長，使得跳變沿到采樣點之間的長度與沒有跳變沿出現(xiàn)時同步段到采樣點之間的長度相等。由于沿相位誤差小于同步跳轉(zhuǎn)寬度，因此重同步補償了沿相位誤差，在下一個正常位時間到來時，顯性到隱性的跳變沿就出現(xiàn)在同步段。在第二個例子中，一個隱性到顯性的跳變沿出現(xiàn)在相位緩沖段2，因此相位緩沖段2會縮短,并且同步段會被省略, 這是因為當節(jié)點同步于邊沿時，節(jié)點無法確定處于相位緩沖段2的同步段的起始位置。由于沿相位誤差的幅值小于同步跳轉(zhuǎn)寬度,所以重同步取得的效果與第一個例子是一樣的。需要注意的是，相位緩沖段只是暫時的被加長或者縮短，在下一個位時間，緩沖段又會恢復預設(shè)值。圖4顯示了同步是怎樣消除顯性噪聲干擾的。列舉的兩個例子中，噪聲都是在傳播段的末尾開始，長度為傳播時間段與相位緩沖段1的和。

圖4

在第一個例子里，同步跳轉(zhuǎn)寬度大于或者等于噪聲跳變沿的相位誤差，因此采樣點適當移動，采樣值為隱性位，消除了噪聲。在第二個例子中，同步跳轉(zhuǎn)寬度小于沿相位誤差，采樣點移動的長度不夠，顯性值被當作總線的真實值采樣。

4． 振蕩器容差范圍

影響振蕩器容差范圍的因素有相位緩沖段1、相位緩沖段2、同步跳轉(zhuǎn)寬度和位時間。最大容差范圍需要滿足下面兩個條件：

I：df= I I：df=

需要注意的是同步跳轉(zhuǎn)寬度不能大于相位緩沖段1和2中的任何一個。

5． CAN控制器的配置與延遲時間的計算

配置CAN控制器最關(guān)鍵的部分就是對兩個寄存器的設(shè)置。寄存器0決定傳播時間段、相位緩沖段1和相位緩沖段2；寄存器2決定同步跳轉(zhuǎn)寬度和分頻值。在位定時寄存器中，TSEG1，TSEG2，SJW和BRP設(shè)定的值要比其功能值小1，因此設(shè)定范圍是[0…..N-1]而不是[1…..N]。所以位時間可以由 [TSEG1+TSEG2+3]tq或者[同步段+傳播段+相位緩沖段1+相位緩沖段2]tq得到。

當總線延遲時間很小時，計算節(jié)點的輸入延遲和輸出延遲就要求很精確。在位定時的設(shè)置中，只有節(jié)點的輸入和輸出延遲需要知道。我們可以通過下述方法計算延遲時間。在總線上輸入一個顯性脈沖，長度為一個位時間的長度，處于空閑狀態(tài)的錯誤激活節(jié)點將認為是幀起始因而會產(chǎn)生一次硬同步，6個隱性位過后，總線節(jié)點會發(fā)現(xiàn)一個填充位錯誤，發(fā)出錯誤激活標志。我們可以得到從發(fā)送顯性脈沖開始到接收錯誤激活標志結(jié)束的這段時間t1。t1包括節(jié)點輸入延遲和輸出延遲、同步延遲以及多個位時間。同步延遲由時鐘振蕩器決定。在位時間里，時鐘同步延遲由同步段補償，因此在計算延遲時間時，要通過調(diào)節(jié)時鐘振蕩器的相位來消除它。為了獲得較為精確的延遲時間，我們必須對時鐘振蕩器的相位以及總線節(jié)點進行調(diào)整以獲得最小的t1。因此，輸入輸出延遲時間t2=min（t1）─7o（正常位時間）。

6．小結(jié)

位時間的范圍是8~25個時間份額，時間份額的大小由分頻值確定。我們首先要確定的是傳播時間段。大小由總線延遲時間決定。在一個可以擴展的總線結(jié)構(gòu)中，最大節(jié)點延遲和總線最大長度必須考慮。一般情況下，每米延遲為5.5ns。

同步段的長度為1個時間份額。因此相位緩沖段的長度為(時間份額總數(shù)-1-傳播時間段時間份額數(shù))tq，如果剩余的份額數(shù)是偶數(shù)，那么應有相位緩沖段1=相位緩沖段2，或者相位緩沖段2=相位緩沖段1+1。而且，相位緩沖段2的最小長度不應小于控制器的信息處理時間，通常情況下，應該大于2個時間份額。

同步跳轉(zhuǎn)寬度的最大值、相位緩沖段1的最小值都是4個時間份額。

如果有多個配置可以選擇，那么應該選擇具有最高振蕩器容差范圍的參數(shù)配置。如果總線上有不同時鐘的節(jié)點，那么在計算傳播時間段時，應該以具有最大延遲的那個節(jié)點為準。振蕩器容差范圍的確定應以對振蕩器容差范圍要求最高的節(jié)點為準。

參考文獻：

鄔寬明. CAN總線原理和應用系統(tǒng)設(shè)計.北京航空航天大學出版社，1995.1

Florian Hartwich. The Configration of the CAN Bit Timming PHILIPS Semiconductors 公司. CAN SPECIFICATION, 1991,9

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