CAN總線(xiàn)中位定時(shí)的設(shè)定方法
CAN總線(xiàn)中位定時(shí)的設(shè)定方法 張健摘要:在CAN總線(xiàn)中,位定時(shí)有一點(diǎn)小錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致總線(xiàn)性能?chē)?yán)重下降。雖然在許多情況下，位同步會(huì)修補(bǔ)由于位定時(shí)設(shè)置不當(dāng)而產(chǎn)生的錯(cuò)誤，但不能完全避免出錯(cuò)情況，并且在遇到兩個(gè)或多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送的情況時(shí)，錯(cuò)誤的采樣點(diǎn)會(huì)使節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)志，使節(jié)點(diǎn)不能贏得總線(xiàn)上的任何活動(dòng)。因此要分析、解決這樣的錯(cuò)誤就需要對(duì)CAN總線(xiàn)位定時(shí)中的位同步和CAN節(jié)點(diǎn)的工作過(guò)程有一個(gè)深入的了解。本文描述了CAN總線(xiàn)位同步的運(yùn)行規(guī)則以及如何對(duì)位定時(shí)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
關(guān)鍵詞：總線(xiàn) 位定時(shí) 同步 延遲
1． 前言
CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1Mbit/s，通常用石英晶振作為時(shí)鐘發(fā)生器，可以獨(dú)立進(jìn)行位定時(shí)的參數(shù)設(shè)置，這樣即使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘周期不一樣仍可獲得相同的位速率。但網(wǎng)絡(luò)中晶振的頻率不是絕對(duì)穩(wěn)定的，溫度、電壓以及器件的異常都會(huì)導(dǎo)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(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)重同步進(jìn)行彌補(bǔ)。
CAN總線(xiàn)的一個(gè)位時(shí)間可以分成四個(gè)部分：同步段，傳播段，相位段1和相位段2，每段的時(shí)間份額的數(shù)目都是可以編程控制的，而時(shí)間份額的大小tq由系統(tǒng)時(shí)鐘tsys和波特率預(yù)分頻值BRP決定：tq=BRP/tsys。如圖1：
圖1 參數(shù)范圍說(shuō)明 分頻值 [1…….32] 規(guī)定時(shí)間份額的長(zhǎng)度 同步段 1tq 固定長(zhǎng)度，同步總線(xiàn)節(jié)點(diǎn) 傳播時(shí)間段 [1…….8]tq 補(bǔ)償總線(xiàn)物理延遲時(shí)間 相位緩沖段1 [1…….8]tq 重同步時(shí)可以暫時(shí)延長(zhǎng) 相位緩沖段2 [1…….8]tq 重同步時(shí)可以暫時(shí)縮短 同步跳轉(zhuǎn)寬度 [1…….4]tq 長(zhǎng)度小于相位緩沖段表1：位時(shí)間的參數(shù)2．同步段
（1）同步段用于同步總線(xiàn)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn),在此段內(nèi)期望有一個(gè)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(zhǎng)度叫做沿相位誤差。采樣點(diǎn)位于相位緩沖段1的末尾和相位緩沖段2開(kāi)始處。
（2）傳播時(shí)間段用于補(bǔ)償總線(xiàn)上信號(hào)傳播時(shí)間和電子控制設(shè)備內(nèi)部的延遲時(shí)間。因此，要實(shí)現(xiàn)與位流發(fā)送節(jié)點(diǎn)的同步，接收節(jié)點(diǎn)必須移相。CAN總線(xiàn)非破壞性仲裁規(guī)定，發(fā)送位流的總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)必須能夠收到同步于位流的CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的顯性位。圖2顯示了兩個(gè)總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的相移和傳播段時(shí)間。
圖2在這個(gè)例子里，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B都是發(fā)送節(jié)點(diǎn)，因此總線(xiàn)要對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仲裁。節(jié)點(diǎn)A比節(jié)點(diǎn)B提前發(fā)送不到1個(gè)位時(shí)間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B收到延遲后的跳變沿時(shí)，B節(jié)點(diǎn)要同步于A節(jié)點(diǎn)，對(duì)位時(shí)間進(jìn)行移相。移相后節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的標(biāo)識(shí)號(hào)有較高優(yōu)先級(jí)，因此節(jié)點(diǎn)B贏得總線(xiàn)的使用權(quán)，如圖節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的顯性位經(jīng)過(guò)延遲后到達(dá)節(jié)點(diǎn)A。
因?yàn)榇嬖谡袷幤魅莶睿?jié)點(diǎn)A的采樣點(diǎn)在相位緩沖段的位置是不能確定的，所以節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的位流必須在A節(jié)點(diǎn)的相位緩沖段1開(kāi)始之前到達(dá)，因此傳播時(shí)間段的長(zhǎng)度將受到這個(gè)條件的限制。如果節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)隱性到顯性的跳變沿，節(jié)點(diǎn)A在相位緩沖段1開(kāi)始之后收到，那么節(jié)點(diǎn)A就有可能采樣到一個(gè)隱性位，導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)位錯(cuò)誤。這樣的錯(cuò)誤只有當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與總線(xiàn)仲裁,且總線(xiàn)比較長(zhǎng),節(jié)點(diǎn)的振蕩器頻率相差較大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。另外，CAN總線(xiàn)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(guò)位定時(shí)邏輯確定位的正確值，這樣就會(huì)要求額外的一個(gè)時(shí)間份額的延遲，因而需要更長(zhǎng)的傳播時(shí)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(shí)采樣點(diǎn)在相位緩沖段內(nèi)移動(dòng)的距離。相位緩沖段和同步跳轉(zhuǎn)寬度用來(lái)補(bǔ)償振蕩器容差，發(fā)生重同步時(shí)相位緩沖段會(huì)被加長(zhǎng)或縮短。當(dāng)總線(xiàn)發(fā)生從隱性到顯性跳變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同步，其作用是控制沿與采樣點(diǎn)之間的距離。總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間份額都會(huì)采樣總線(xiàn)，并與前一次采樣值進(jìn)行比較，如果前一次采樣值是隱性而當(dāng)前的采樣值是顯性，那么總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)就會(huì)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(cuò)誤就是負(fù)的，反之就是正的。
在幀起始時(shí)，總線(xiàn)會(huì)進(jìn)行一次硬同步。硬同步后,位時(shí)間由每個(gè)位定時(shí)邏輯單元在同步段之后重新啟動(dòng)，強(qiáng)迫引起硬同步的邊沿處于重新啟動(dòng)位時(shí)間的同步段內(nèi)。
當(dāng)引起重同步的沿相位錯(cuò)誤幅值小于或等于同步跳轉(zhuǎn)寬度的數(shù)值時(shí)，重同步導(dǎo)致位時(shí)間的延長(zhǎng)或縮短，使采樣點(diǎn)處于適當(dāng)?shù)奈恢谩．?dāng)沿相位誤差幅值大于重同步跳轉(zhuǎn)寬度時(shí)，如果相位誤差為正，相位緩沖段1延長(zhǎng)數(shù)值等于同步跳轉(zhuǎn)寬度；如果相位誤差為負(fù)，相位緩沖段2縮短數(shù)值等于同步跳轉(zhuǎn)寬度。
通過(guò)同步，總線(xiàn)可以有效地濾除長(zhǎng)度小于傳播段與相位緩沖段1長(zhǎng)度之和的噪聲。但在一個(gè)位時(shí)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(xiàn)上的所有節(jié)點(diǎn)都要同步于最先開(kāi)始發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，但是由于總線(xiàn)延遲，節(jié)點(diǎn)的同步不可能達(dá)到理想的要求。如果最先發(fā)送的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有贏得總線(xiàn)仲裁，那么所有的接收節(jié)點(diǎn)都要重新同步于獲得總線(xiàn)仲裁的節(jié)點(diǎn)。應(yīng)答場(chǎng)的情況也是如此，總線(xiàn)上的接收節(jié)點(diǎn)都要同步于最先發(fā)送顯性位的節(jié)點(diǎn)。但是當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘周期不同并經(jīng)過(guò)多次同步累加起來(lái),振蕩器容差會(huì)導(dǎo)致同步在仲裁場(chǎng)之后出現(xiàn)。圖3列舉了沿相位誤差為正負(fù)兩種情況，中間的圖作為參考。說(shuō)明了相位緩沖段如何彌補(bǔ)沿相位錯(cuò)誤。
圖3在第一個(gè)例子里，同步段末端出現(xiàn)了一個(gè)隱性到顯性的跳變沿，那么相位緩沖段1將加長(zhǎng)，使得跳變沿到采樣點(diǎn)之間的長(zhǎng)度與沒(méi)有跳變沿出現(xiàn)時(shí)同步段到采樣點(diǎn)之間的長(zhǎng)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(bǔ)償了沿相位誤差，在下一個(gè)正常位時(shí)間到來(lái)時(shí)，顯性到隱性的跳變沿就出現(xiàn)在同步段。在第二個(gè)例子中，一個(gè)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(huì)縮短,并且同步段會(huì)被省略, 這是因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)同步于邊沿時(shí)，節(jié)點(diǎn)無(wú)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(gè)例子是一樣的。需要注意的是，相位緩沖段只是暫時(shí)的被加長(zhǎng)或者縮短，在下一個(gè)位時(shí)間，緩沖段又會(huì)恢復(fù)預(yù)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(gè)例子中，噪聲都是在傳播段的末尾開(kāi)始，長(zhǎng)度為傳播時(shí)間段與相位緩沖段1的和。
圖4在第一個(gè)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(diǎn)適當(dāng)移動(dòng)，采樣值為隱性位，消除了噪聲。在第二個(gè)例子中，同步跳轉(zhuǎn)寬度小于沿相位誤差，采樣點(diǎn)移動(dòng)的長(zhǎng)度不夠，顯性值被當(dāng)作總線(xiàn)的真實(shí)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(shí)間。最大容差范圍需要滿(mǎn)足下面兩個(gè)條件：
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