- CAN總線運(yùn)行簡介
- CAN總線延遲爭用原理
- 信號(hào)傳輸速率及線纜長度限制
致力于CAN通信的設(shè)計(jì)人員遇到種種挑戰(zhàn)，往返信號(hào)傳輸成為一個(gè)重要的考慮因素。
當(dāng)一個(gè)以上節(jié)點(diǎn)要在共用總線上發(fā)送信號(hào)時(shí)，控制器局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議的一個(gè)關(guān)鍵特性就是如何處理總線爭用問題。CAN使用逐位仲裁(bit-wisearbitration)來選擇哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該繼續(xù)信號(hào)傳輸。由于這些節(jié)點(diǎn)對每一個(gè)比特位進(jìn)行監(jiān)聽，并且必須服從于更高優(yōu)先級(jí)的消息，因此它們的響應(yīng)時(shí)間必須快到能夠在破壞下一個(gè)比特以前終止傳輸。如下面三種情況所述，這就對容許組件延遲和線纜長度以及可用信號(hào)速率構(gòu)成了一些限制。
情況1：無爭用正常CAN總線運(yùn)行
通常每次只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)要通過共用CAN總線通信。沒有一般性損耗的情況下，我們來討論一種二節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，然后再將這種討論延伸至更多節(jié)點(diǎn)。圖1描述了其工作原理。首先，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于非占用狀態(tài)，因此總線上沒有差動(dòng)信號(hào)，如（1a）所示。如果節(jié)點(diǎn)A開始通信，則其使用一個(gè)占用位啟動(dòng)一個(gè)CAN消息。向CAN收發(fā)器發(fā)送的傳輸數(shù)據(jù)(TXD)輸入是一個(gè)邏輯0，其命令差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器在總線線路上生成一個(gè)差動(dòng)信號(hào)，如（1b）所示。節(jié)點(diǎn)A的接收機(jī)感應(yīng)到該差動(dòng)信號(hào)，并在已接收數(shù)據(jù)引腳(RXD)上輸出一個(gè)邏輯0。差動(dòng)電壓根據(jù)(1c)和(1d)所示雙絞線對的傳輸線路屬性進(jìn)行傳輸。最終，差動(dòng)信號(hào)到達(dá)節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)B的接收機(jī)也在RXD上輸出一個(gè)邏輯0，如(1e)所示。這時(shí)，節(jié)點(diǎn)B注意到節(jié)點(diǎn)A已經(jīng)開始一個(gè)CAN消息，這樣節(jié)點(diǎn)B便不會(huì)在節(jié)點(diǎn)A完成以前發(fā)起消息。
圖1A到B的正常信號(hào)傳輸
需要注意的是，節(jié)點(diǎn)B并非馬上就知道節(jié)點(diǎn)A已經(jīng)開始一條消息，因?yàn)閺腁到B的信號(hào)具有一定的延遲。這種情況下的總延遲為通過A處收發(fā)器（以及相關(guān)的隔離和緩沖電路）的延遲加上通過線纜的傳輸延遲，再加上B處收發(fā)器、隔離和緩沖電路的延遲的總和。乍一看，似乎這種單向延遲就是確保節(jié)點(diǎn) B 不同節(jié)點(diǎn) A 發(fā)送消息相沖突所需的關(guān)鍵計(jì)時(shí)限制。正如我們在情況2中所看到的一樣，這并非故事的全部。
情況2：延遲爭用，后發(fā)消息具有更高的優(yōu)先級(jí)
我們的下一種情況（圖2）假設(shè)，節(jié)點(diǎn)A再次發(fā)起一條消息，但是節(jié)點(diǎn)B在稍后發(fā)起的一條消息具有更高的優(yōu)先級(jí)。如前所述，這種情況以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)均處在非占用模式作為開始，如(2a所示，隨后節(jié)點(diǎn)A變?yōu)檎加茫ㄈ纾?b）所示）發(fā)起一條消息。該占用差動(dòng)電壓再次沿線纜傳輸。在信號(hào)到達(dá)B處的收發(fā)器以前，該節(jié)點(diǎn)剛好利用如（2c）所示占用位發(fā)起一條消息。這時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都正傳輸一個(gè)占用位，并且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都正接收一個(gè)占用位（如（2d）所示），然后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒意識(shí)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)也已啟用。由于在我們的假設(shè)情況中，節(jié)點(diǎn)A具有比節(jié)點(diǎn)B更低的優(yōu)先級(jí)，因此有時(shí)節(jié)點(diǎn)A會(huì)通過將其TXD設(shè)置為0（如（2e）所示）來發(fā)出一個(gè)非占用位。但是，由于節(jié)點(diǎn)B的作用，RXD會(huì)感應(yīng)到總線仍然處在占用狀態(tài)下。
圖2延遲爭用—B具有高優(yōu)先級(jí)
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通過研究某個(gè)具有實(shí)際延遲值的假設(shè)案例，我們可以更加具體地介紹這些計(jì)時(shí)要求。在我們的二節(jié)點(diǎn)例子中，設(shè)定總單向延遲為200ns，信號(hào)傳輸速率為1Mbps，也就是ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值。這樣，位時(shí)間便為1000ns。除節(jié)點(diǎn)B的第二位會(huì)是同節(jié)點(diǎn)A的消息優(yōu)先級(jí)匹配的0（非占用）以外，其同情況2所述一樣。（情況2中，節(jié)點(diǎn)B具有一個(gè)占用第二位，表明更高的消息優(yōu)先級(jí)。）
圖3中，節(jié)點(diǎn)A在時(shí)間t=0時(shí)開始一條消息，從而在總線（b）上傳輸一個(gè)占用位。如圖2所示，其可能出現(xiàn)的情況是，節(jié)點(diǎn)B剛好在節(jié)點(diǎn)A的信號(hào)被接收到以前（c）開始發(fā)送，也即時(shí)間t=199ns。當(dāng)時(shí)間t=1000ns的第二位開始之初，在節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)到非占用狀態(tài)以前兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒意識(shí)到對方的有效性。然后，節(jié)點(diǎn)B在時(shí)間t=1199ns的第二位開始之初，轉(zhuǎn)到非占用狀態(tài)。另一個(gè)單向延遲以后，該非占用信號(hào)到達(dá)節(jié)點(diǎn)A，時(shí)間t=1399ns。只有在這時(shí)，節(jié)點(diǎn)A才讀取RXD信號(hào)，并且可以確定其代表網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)。
圖3延遲爭用—節(jié)點(diǎn)A和B具有相同的優(yōu)先級(jí)
注意，只通過等到兩倍單向延遲（或者相當(dāng)于總雙向傳輸時(shí)間）節(jié)點(diǎn)A才能判別這種情況，其中節(jié)點(diǎn)A和B的消息具有相同的優(yōu)先級(jí)（情況3），以及節(jié)點(diǎn)B的消息擁有更高的優(yōu)先級(jí)。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(gè)位時(shí)間預(yù)算范圍內(nèi)，也即1000ns。否則，在第二個(gè)位仲裁完成以前，節(jié)點(diǎn)A就可能開始傳送其第三個(gè)位。
信號(hào)傳輸速率及線纜長度限制
我們知道雙向延遲至關(guān)重要，CAN定義可編程傳輸延遲(PROP_SEG)為每個(gè)位的組成部分，以保證每個(gè)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(shí)間。PROP_SEG的計(jì)算涉及雙向延遲和本地系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相關(guān)知識(shí)，其超出了本文的討論范圍。實(shí)際上，PROP_SEG將采樣點(diǎn)規(guī)定在約總位時(shí)間的5/6或者更低以照顧其他段，這樣雙向延遲便被規(guī)定為位時(shí)間的一小段。
CAN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，線纜為5ns每米傳輸延遲，1Mbps信號(hào)速率時(shí)最大線纜長度為40米。位時(shí)間為1000ns時(shí)，最遲采樣點(diǎn)（由PROP_SEG設(shè)定）約為850ns。線纜本身具有200ns的單向延遲（即400ns雙向延遲），從而使收發(fā)器和相關(guān)電路的總延遲只剩約450ns。
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CAN收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“環(huán)路延遲”，其包括驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)延遲。由于雙向計(jì)算中涉及兩個(gè)收發(fā)器，因此每個(gè)收發(fā)器都應(yīng)有225ns或者更低的環(huán)路延遲，以支持1Mbps信號(hào)速率下40米的總線長度。如果收發(fā)器電路包括更多的組件，例如：隔離、電壓電平轉(zhuǎn)換或保護(hù)組件，則這些組件產(chǎn)生的延遲必須也包括在總延遲預(yù)算中。甚至，高速光耦合器一般具有40ns或更長的單向延遲，而全部雙向信號(hào)都必須通過四個(gè)光耦合器。這就極大地縮短了使用光隔離CAN系統(tǒng)的容許線纜長度（即增加了位時(shí)間）。1Mbps條件下，即使快速光耦合器的延遲也會(huì)縮短容許線纜長度，計(jì)算方法如方程式1：
下面顯示了信號(hào)速率和線纜長度之間的權(quán)衡因素，以及收發(fā)器延遲帶來的影響。收發(fā)器帶來的延遲（包括相關(guān)隔離、電平轉(zhuǎn)換和保護(hù)）對于500kbps及以上的信號(hào)速率特別明顯。
圖4收發(fā)器延遲影響信號(hào)速率和線纜長度的權(quán)衡（點(diǎn)擊圖片放大）
在單個(gè)封裝（ISO1050）中的高速CAN收發(fā)器集成SiO2隔離現(xiàn)已上市。利用低于210ns的極限總環(huán)路延遲（包括驅(qū)動(dòng)器、接收機(jī)和兩個(gè)隔離信道！），您可以減少雙向環(huán)路延遲，并簡化您隔離式CAN解決方案的系統(tǒng)計(jì)時(shí)和設(shè)計(jì)。您還可以執(zhí)行一個(gè)電平轉(zhuǎn)換功能，將一個(gè)3.3V控制器的電壓轉(zhuǎn)換至5VCAN收發(fā)器，無需更多的延遲。
當(dāng)然，在進(jìn)行信號(hào)速率和線纜長度相關(guān)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還存在其他一些問題。網(wǎng)絡(luò)的傳輸線路效應(yīng)表明，負(fù)載、節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)間隔和短截線長度對系統(tǒng)的信號(hào)保真度和抗干擾性都很重要。本文結(jié)尾列舉了較好的參考文獻(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)例子
為了說明這些概念，可建立一個(gè)帶有兩個(gè)隔離CAN節(jié)點(diǎn)和50米線纜的實(shí)驗(yàn)室裝置。我們預(yù)計(jì)單向線纜延遲為250ns，隔離收發(fā)器環(huán)路延遲約為150ns，即ISO1050標(biāo)準(zhǔn)的典型值。因此，節(jié)點(diǎn)A的采樣點(diǎn)應(yīng)約為比特開始以后的800ns，如圖5所示。
圖5 50米線纜的1MbpsCAN信號(hào)速率
就1Mbps信號(hào)速率而言，在該比特結(jié)束以前，采樣點(diǎn)留有足夠的裕量，其表明使用快速收發(fā)器，40米以上的線纜長度是可行的。
廣大設(shè)計(jì)人員正在各種應(yīng)用中使用CAN通信，他們需要了解計(jì)時(shí)限制和線纜長度權(quán)衡方法。信號(hào)鏈中每個(gè)組件都會(huì)影響總計(jì)時(shí)預(yù)算，同時(shí)必須考慮雙向延遲以確保可靠的通信。使用如ISO1050等快速收發(fā)器可保證CAN信號(hào)按時(shí)完成雙向傳輸，只有比PecosBill更快才能游過墨西哥灣。
