CAN總線傳輸距離的相關(guān)因素

CAN 總線采用多主通信模式、非破壞式總線仲裁機(jī)制。以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)椐幀為例，從結(jié)構(gòu)上看分成7段，分別為起始段、仲裁段、控制段、數(shù)椐段、CRC校驗(yàn)段、ACK應(yīng)答段、幀結(jié)束段，如圖1所示：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)椐幀結(jié)構(gòu)及應(yīng)答

ACK段長(zhǎng)度為2個(gè)位，包含應(yīng)答間隙（ACK SLOT）和應(yīng)答界定符（ACK DELIMITER）。在應(yīng)答場(chǎng)里，發(fā)送站發(fā)送兩個(gè)“隱性”位。當(dāng)接收器正確地接收到有效的報(bào)文，接收器就會(huì)在應(yīng)答間隙（ACK SLOT）期間（發(fā)送ACK信號(hào)）向發(fā)送器發(fā)送一“顯性”的位以示應(yīng)答。發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線呈顯式狀態(tài)時(shí)，就認(rèn)為有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有效的應(yīng)答并且自己所發(fā)出的幀是正常的。

2、CAN總線位時(shí)間組成

CAN網(wǎng)絡(luò)通信位定時(shí)參數(shù)如圖2所示。

圖2 位定時(shí)示意圖

CAN 總線通信中每一位的時(shí)間由4 部分組成，即同步段、傳播段、相位緩沖段1、相位緩沖段2，劃分為3段。

同步段：用于總線諸節(jié)點(diǎn)之間的同步；

時(shí)間段1：由傳播段與相位段1組成，傳播段用于補(bǔ)償信號(hào)的物理傳播延時(shí)；

時(shí)間段2：即相位緩沖段2，相位段1 和相位段2 用于補(bǔ)償沿的相位誤差。

在實(shí)際控制器設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整時(shí)間段1、時(shí)間段2 的值可以改變對(duì)總線傳播延時(shí)的補(bǔ)償時(shí)間。

3、CAN總線延時(shí)理論分析

由圖1可知，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)完CRC 場(chǎng)之后，會(huì)發(fā)出一位應(yīng)答隙，在這一位的時(shí)間內(nèi)，接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)該輸出顯式位作為回應(yīng)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)如果在應(yīng)答隙內(nèi)沒有檢測(cè)到有效的顯式位，則會(huì)判定總線錯(cuò)誤，所以限制CAN 總線系統(tǒng)信號(hào)傳播延時(shí)上限的根本條件就是必須確保發(fā)送節(jié)點(diǎn)在應(yīng)答隙內(nèi)接收到有效的應(yīng)答信號(hào)。

為了滿足這一根本條件，以 1 Mbit/s 波特率，單點(diǎn)采樣模式為例，依據(jù)采樣點(diǎn)在設(shè)置同步段、時(shí)間段1、時(shí)間段2 內(nèi)的前后變化，當(dāng)設(shè)置為75%位寬度時(shí)（即采樣點(diǎn)位于距位起始的75%位寬度，為750 ns），在應(yīng)答隙要使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)采集到有效的顯式位，理論上來(lái)講，必須滿足整個(gè)信號(hào)傳播延時(shí)小于750 ns。即隔離器件、總線驅(qū)動(dòng)器、線纜等的延時(shí)總和小于750ns才能保證應(yīng)答有效。如圖3所示：

圖3 CAN總線延時(shí)理論分析框圖

首先，我們看CAN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)之間通信的傳播延時(shí)情況，如圖4所示，t2、t5為收發(fā)器循環(huán)延時(shí)、t3、t6為隔離延時(shí)、t4、t7為CAN控制器處理延時(shí)，t1 為線纜傳輸延時(shí)。

圖4 CAN總線信號(hào)傳輸延時(shí)

以節(jié)點(diǎn)A發(fā)送，節(jié)點(diǎn)B接收為例，從CAN報(bào)文發(fā)出開始，到接收到ACK應(yīng)答，整個(gè)應(yīng)答回路延時(shí)為T總=(t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7)*2，期間報(bào)文經(jīng)過(guò)了4次隔離及收發(fā)器，兩次線纜，若想提高傳輸距離，需對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行分析。

1、隔離器件延時(shí)

為了提高CAN節(jié)點(diǎn)的可靠性，CAN底層硬件通常會(huì)使用隔離設(shè)計(jì)。常用解決方案有采用光耦+CAN收發(fā)器，如圖5所示（6N137+TJA1051），光耦6N137具有典型的60ns單向延時(shí)，而全部雙向信號(hào)必須經(jīng)過(guò)4個(gè)光耦，總隔離延時(shí)達(dá)240ns，在位時(shí)間配置不變的情況下，大大地縮短了CAN系統(tǒng)的容許線纜長(zhǎng)度。

圖5 光耦隔離延時(shí)

圖6 隔離收發(fā)器延時(shí)

或者采用隔離收發(fā)器方案如圖6，CTM1051KT采用磁耦隔離，磁隔離延時(shí)3~5ns，在位時(shí)間配置不變的情況下，CTM1051KT自帶隔離基本不會(huì)對(duì)容許線纜長(zhǎng)度造成影響，可滿足1Mbps速率下約36m的傳輸距離。

圖7 不同隔離器件延時(shí)情況

2、收發(fā)器循環(huán)延時(shí)

什么是循環(huán)延時(shí)？對(duì)于CAN收發(fā)器，是指從TXD輸入的數(shù)字流被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬總線信號(hào)，同時(shí)總線收發(fā)器監(jiān)控總線，將模擬總線信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字位流從RXD輸出的過(guò)程。如圖8所示：

圖8 TJA1051功能框圖

CAN 收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“循環(huán)延時(shí)”，其包括驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)延遲。延時(shí)時(shí)間的大小是有收發(fā)器自身特性決定，以收發(fā)器TJA1051為例，從數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，其最大傳播延時(shí)為220 ns，最小傳播延時(shí)為40 ns。圖9為收發(fā)器循環(huán)延時(shí)對(duì)稱時(shí)序圖（tPD(TXD-RXD)為TXD發(fā)送顯性上升/下降沿到總線并且反饋到RXD的延時(shí)），收發(fā)器循環(huán)延時(shí)是CAN總線規(guī)范必測(cè)的項(xiàng)目，選取性能較高的收發(fā)器，可減少傳輸延時(shí)，有利于增加傳輸距離。

圖9 環(huán)路延時(shí)對(duì)稱時(shí)序圖

3、CAN控制器延時(shí)

軟件延時(shí)：是應(yīng)用進(jìn)程中，主CPU將數(shù)據(jù)從CAN控制器中讀出/寫入并作初步處理所耗費(fèi)的時(shí)間。

CAN控制器延時(shí)：是CAN控制器為實(shí)現(xiàn)接收/發(fā)送緩存器中的信息和串行化的信息的相互轉(zhuǎn)化所開銷時(shí)間。

軟件和控制器導(dǎo)致的延時(shí)與具體應(yīng)用、主控器、CAN控制器和接口芯片有關(guān)?？紤]到總線控制器在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到內(nèi)部處理時(shí)間，所以延時(shí)應(yīng)該在納秒級(jí)以下，在此可以不計(jì)。

4、線纜傳播延時(shí)

線纜的選型不同，其延時(shí)率也不同，傳輸?shù)木嚯x也會(huì)有較大影響，在CAN控制器、收發(fā)器、隔離等外圍元器件確的情況下，如何計(jì)算線纜的通信長(zhǎng)度呢？

若線纜的通信距離為L(zhǎng)（以m 為單位）、通信速率為B（以bit/s為單位）、采樣位置為P（如75%）、隔離器件傳播延時(shí)為tg（以ns 為單位，如t3，t6）、收發(fā)器傳播延時(shí)為tq（以ns 為單位，如t2，t5）、線纜傳播延時(shí)為tx（以ns/m為單位）。

可以得到線纜通信長(zhǎng)度的估算公式：L=[(1/B)?P–4(tg+tq)]/2tx

由公式可知：線纜延時(shí)率越小，在相同條件下，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，所以在線纜選型中，建議用較粗的導(dǎo)線（線徑越大，延遲越?。?，或者使用鍍金或者鍍銀的線纜。

在實(shí)際應(yīng)用中，如何快速評(píng)估CAN網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)情況呢？使用電子CANscope做總線延時(shí)分析，測(cè)試結(jié)果如圖10所示：

圖10 CAN總線傳輸延時(shí)分析

隔離器件等外圍電路的引入和收發(fā)器增加長(zhǎng)時(shí)間顯性關(guān)斷功能等，都增加了CAN總線的延時(shí)時(shí)間，導(dǎo)致了越新型的收發(fā)器，回環(huán)延遲加大，減少了實(shí)際通訊距離。若想增大CAN總線通信距離，必須了解CAN通信的原理及信號(hào)線傳輸?shù)脑?，通過(guò)提高收發(fā)器、隔離器件的性能和線纜的選型來(lái)減小CAN信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)時(shí)間，從而提高實(shí)際通信的距離。