CAN總線位定時(shí)參數(shù)的確定
關(guān)鍵詞：CAN總線 位定時(shí) 同步 延遲
引言
CAN總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的、多主的異步串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，適合高噪聲環(huán)境，具有較遠(yuǎn)的傳輸距離，并且Philips和Intel等半導(dǎo)體公司都有支持CAN通信協(xié)議的集成器件。CAN總線已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。
在CAN通信協(xié)議中規(guī)定，通信波特率、每個(gè)位周期的取樣位置和個(gè)數(shù)，都可以自行設(shè)定。這樣的設(shè)計(jì)理念，為用戶在自己的應(yīng)用中，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通訊性能提供了空間。為了通過設(shè)定位定時(shí)參數(shù)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信性能，必須清楚位定時(shí)參數(shù)與參考時(shí)鐘誤差和系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)延遲的關(guān)系。如果位周期內(nèi)的取樣位置偏后，將能夠容忍較大的信號(hào)傳輸延遲，相應(yīng)的，總線傳輸距離可以延長；而如果周期內(nèi)的取樣位置接近中間，則可以容忍系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)間的參考時(shí)鐘誤差。但這顯然是矛盾的，為了協(xié)調(diào)這種矛盾，必須對位定時(shí)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化位置。
圖1 位周期結(jié)構(gòu)圖
通過對CAN總線位定時(shí)參數(shù)進(jìn)行研究，找到矛盾的關(guān)鍵所在，就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化，從而提高通信系統(tǒng)的整體性能。下面以Philips公司的獨(dú)立通信控制器SJA1000為例，進(jìn)行研究。
1 相關(guān)定義
1.1 位周期的組成
波特率（fbit）是指單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的數(shù)量，一般取單位時(shí)間為1s。波特率由通信線上傳輸?shù)囊粋€(gè)數(shù)據(jù)位周期的長度（Tbit）決定，如下式所示。
Fbit=1/Tbit （1）
根據(jù)Philips公司的獨(dú)立通信控制器，一個(gè)位周期由3個(gè)部分組成：同步段（tSYNC_SEG）、相位緩沖段1（tTSEG1）和相位緩沖段2（tTSEG2）。
Tbit=tSYNC_SEG+tTSEG1+tTSEG2 (2)
所有這些時(shí)間段，都有一個(gè)共同的時(shí)間單元——系統(tǒng)時(shí)鐘周期（TSCL）。具體到SJA1000，TSCL由總線時(shí)序寄存器的值來確定。SJA1000有2個(gè)總線時(shí)序寄存器，即總線時(shí)序寄存器0（BTR0）和總線時(shí)序寄存器1（BTR1）。這2個(gè)寄存器有自己不同的功能定義，共同作用決定總線的通信波特率。
總線時(shí)序寄存器0 定義波特率預(yù)設(shè)值BRP（共6位，取值區(qū)間[1,64]和同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW（共2位，取值區(qū)間[1,4]）的值。位功能說明如表1所列。
表1
| bit7 | bit6 | bit5 | bit4 | bit3 | bit2 | bit1 | bit0 |
| SJW.1 | SJW.0 | BRP.5 | BRP.4 | BRP.3 | BRP.2 | BRP.1 | BRP.0 |
CAN的系統(tǒng)時(shí)鐘周期TSCL，可以由BRP的數(shù)值為決定，計(jì)算公式如下：
TSCL=2TCLK×BRP=2TCLK×(32BRP.5+16BRP.4+
8BRP.3+4BRP.2+2BRP.1+1BRP.0+1) （3）
其中TCLK為參考時(shí)間的周期。
TCLK=1/fCLK （4）
為了補(bǔ)償不同總線控制器的時(shí)鐘振蕩器之間的相位偏移，任何總線控制器必須在當(dāng)前傳送的相關(guān)信號(hào)邊沿重新同步。同步跳轉(zhuǎn)寬度定義了每一位周期可以被重新同步縮短或延長的時(shí)鐘周期的最大數(shù)目。
tSJW=TSCL×（2×SJW.1+1×SJW.0+1） （5）
總線時(shí)序寄存器1 定義每個(gè)位周期長度采樣點(diǎn)的位置和在每個(gè)采樣點(diǎn)的采樣數(shù)目。位功能說明如表2所列，其中SAM意義見表3。
表2
| bit | bit | bit | bit | bit | bit | bit | bit |
| SAM | TSEG2.2 | TSEG2.1 | TSEG2.0 | TSEG1.3 | TSEG1.2 | TSEG1.1 | TSEG1.0 |
表3
| 位 | 值 | 功 能 |
| SAM | 0 | 三倍：總線采樣三次：建議在中/低速總線（A和B級）使用，有處于過濾總線上毛刺 |
| 1 | 單倍：總線采樣一次；建議使用在高速總線上（SAEC級） |
TSEG1（共4位，取值區(qū)間[1,16]）和TSEG2（共3位，取值區(qū)間[1,8]）決定了每一位時(shí)鐘數(shù)目和采樣點(diǎn)的位置。這里
tSYNC_SEG=1×TSCL（此時(shí)間段固定） （6）
tTSEG1=TSCL×(8×TSEG1.3+4×TSEG1.2+2×TSEG1.1+1×TESG1.0+1) (7)
tTSEG2=TSCL×(4×TSEG2.2+2×TSEG2.1+1×TESG2.0+1) (8)
位周期的標(biāo)量值（NBT）定義為，SYNC_SEG（同步段系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)）、TSEG1（相位緩沖段1系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)）、TSEG2（相位緩沖段2系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)）之和。這決定了它的取值區(qū)間為[3,25]，在1個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)，最小值一般取4；在3個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)，最小值一般取5。
NBT=Tbit/TSCL=SYNC_SEG+TSEG1+TSEG2 (9)
位周期的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 參考時(shí)鐘誤差
在系統(tǒng)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己獨(dú)立的參考時(shí)鐘。由于制造工藝、運(yùn)行時(shí)間及環(huán)境溫度的變化，這些時(shí)鐘的實(shí)際頻率往往偏離預(yù)期的頻率值。我們稱這種偏差為參考時(shí)鐘誤差（Δf）。FCLK,max/min表示參考時(shí)鐘頻率的最大值或最小值，fCLK,rat表示參考時(shí)鐘頻率的額定值。
相應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘周期也會(huì)有誤差。TSCL,min表示系統(tǒng)時(shí)鐘周期最小值，TSCL,max表示系統(tǒng)時(shí)鐘周期最大值，TSCL,rat表示系統(tǒng)時(shí)鐘周期額定值。由于Δf<<1，可以進(jìn)行近似。
TSCL，min=(TSCL,rat)/(1+Δf)≈TSCL,rat×(1-Δf) （11）
TSCL，max=(TSCL,rat)/(1-Δf)≈TSCL，rat×(1+Δf) (12)
1.3 傳輸延遲
CAN總線采用無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁機(jī)制。在這種機(jī)制下，傳輸延遲至關(guān)重要。如果傳輸延遲時(shí)間過長，將導(dǎo)致無效的訪問仲裁。傳輸延遲時(shí)間由物理總線延時(shí)（tBUS）、總線驅(qū)動(dòng)器延時(shí)（ttran）和其它設(shè)備傳輸延遲（toth）共同決定。其它設(shè)備包括通信控制器、隔離光耦等。
tprop=2×(tBUS+ttran+toth)
傳輸延遲的標(biāo)量值（PROP）可以由公式（14）得到。
PROP=tprop/TSCL (14)
1.4 同步
通過同步機(jī)制，可以消除由于相位誤差帶來的影響，保證信息正確解碼。有兩種同步方式：硬同步和重同步。
硬同步僅發(fā)生在報(bào)文開始時(shí)，在一個(gè)空閑期間，總線上的所有控制器在一個(gè)SYNC_SEG段從隱性位到顯性位的跳變沿上，初始化自己的位周期定時(shí)，執(zhí)行一次硬同步。
重同步發(fā)生在報(bào)文位流發(fā)送期間，每一個(gè)隱性位到顯性位跳變沿后。重同步根據(jù)引起同步邊沿的相位誤差，要么增加tTSEG1，要么減少tTSEG2，使采樣點(diǎn)處于恰當(dāng)?shù)奈恢谩Ｍ竭呇氐南辔徽`e，由相對于同步邊沿的位置而定，以系統(tǒng)時(shí)鐘周期（TSCL）。其它定及重同步處理方式如下：
e=0，同步邊沿發(fā)生在SYNC_SEG內(nèi)；
e>0，同步邊沿發(fā)生在TSEG1內(nèi)；
e<0，同步邊沿發(fā)生在TSEG2內(nèi)。
如果引起重同步的邊沿相位誤差e的幅值小于或等于tSJW編程數(shù)值，則得同步導(dǎo)致位時(shí)間縮短或延長，與硬同步的作用一樣；如果e為正值，且幅值大于tSJW，則增加tTSEG1值為tSJW；如果e為負(fù)值，且幅值大于tSJW，則減少值為tSJW。
2 參數(shù)計(jì)算規(guī)則
參數(shù)確定原則為：保證系統(tǒng)在極端惡劣條件的兩節(jié)點(diǎn)間，能夠正確接收并解碼網(wǎng)絡(luò)上的信息幀。極端惡劣條件是指這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的鐘振偏差在系統(tǒng)容忍偏差極限的兩端，并且兩節(jié)點(diǎn)間具有最大的傳輸延遲。在沒有噪音干擾的正常通信情況下，相位誤差累計(jì)的最壞情況是，重同步邊沿之間間隔有10個(gè)位周期。這是定義SJW最小值的條件。
在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，噪音干擾是不可避免的。由于噪音干擾，可能會(huì)導(dǎo)致重同步邊沿之間的間隔超過10個(gè)位周期，可能進(jìn)入錯(cuò)誤處理模式。在這種情況下，由于同步邊沿之間的時(shí)間比較長，所以保證每一位都能夠確切地取樣就更加重要。如果不能夠確切地取樣，將會(huì)導(dǎo)致檢測到錯(cuò)誤并進(jìn)行錯(cuò)誤處理。
考慮各方面的影響，位定時(shí)參數(shù)的設(shè)置公式如下：
①1取樣點(diǎn)模式
②3取樣點(diǎn)模式
在計(jì)算SJWmin時(shí)，取大于計(jì)算數(shù)值的最小整數(shù)；在計(jì)算TSEG2max時(shí)，取小于計(jì)算數(shù)值的最大整數(shù)。由公式（15）～（18）可見，SJW和TSEG2由NBF、Δf、PROP分別決定。計(jì)算得到SJW和TSEG2后，由公式（9）可以得到TSEG1。根據(jù)SJA1000的寄存器說明，可以得到具體寄存器的設(shè)置數(shù)值。
3 參數(shù)計(jì)算步驟及舉例
某CAN通信系統(tǒng)，采用1個(gè)取樣點(diǎn)模式，其它參數(shù)指標(biāo)如表4所列。
表4
| 參 數(shù) | 說 明 | 最小值 | 典型值 | 最大值 |
| fBit/(kb·s-1) | 通信波特率 | 250 | ||
| tbit/μs | 位周期時(shí)間 | 4 | ||
| fCLK/MHz | CAN控制器的時(shí)鐘頻率 | 24 | ||
| Δf/% | 時(shí)鐘頻率偏差 | 1.0 | ||
| tran/ns | 總線驅(qū)動(dòng)器延時(shí) | 30 | 75 | 157 |
| toth/ns | 其它設(shè)備延時(shí) | 15 | 40 | |
| δ/(ns·m-1) | 線路延時(shí) | 5 | 6.5 | |
| L/m | 節(jié)點(diǎn)間總線長度 | 3 | 95 | |
| tBUS/ns | 計(jì)算得到線路延時(shí)tBUS=L·δ | 15 | 618 | |
| fprop/ns | 計(jì)算得到傳輸延時(shí)，公式（13） | 120 | 1630 |
①確定可能的BRP、NBT和PROP。
由公式（1）、（3）、（4）及（9）得到
NBT=1/(fbit·TSCL)=fCLK/(2fbit·BRP)
所以有 NBT·BRP=fCLK/2fbit （19）
將參數(shù)代入公式（19）得到NBT·BRP的值為48，而NBT取值為3～25，所以NBT和BRP所有可能的組合如表5所列。
表5
| fCLK | NBT | BRP | TSCL/ns | PROPmax | PROPmin | 有效性 |
| 24MHz | 4 | 12 | 1000 | 1.63 | 0.12 | 無 |
| 6 | 8 | 666.6 | 2.45 | 0.18 | 無 | |
| 8 | 6 | 500 | 3.26 | 0.24 | 無 | |
| 12 | 4 | 333.3 | 4.89 | 0.36 | 有 | |
| 16 | 3 | 250 | 6.52 | 0.48 | 有 | |
| 24 | 2 | 166.6 | 9.78 | 0.72 | 無 |
②計(jì)算NBTmin和NBTmax。由公式（15-1）、（18-1）、（19）、（14）及（3）推出
NBT≥
公式（22）
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到8.31≤NBT≤17.9。原則上選12和16都可以，為了方便取得樣點(diǎn)，我們?nèi)≥^大的值16。
③根據(jù)公式（15-1）計(jì)算SJWmin，如表6所列。
④根據(jù)公式（17-1）計(jì)算TSEG2min，如表6所列。
⑤根據(jù)公式（18-1）計(jì)算TSEG2max，如表6所列。
⑥確定寄存器設(shè)置數(shù)值，如表7所列。
表6
| 最小值 | 最大值 | 確定值 | |
| SJW | {3.23,3.67}max | 4 | 4 |
| TSEG2 | {2,SJW}max | {8,5.54,4.78}min | 4 |
| TSEG1 | TSEG1=NBT-TSEG2-SYNC_SEG=16-4-1 | 11 | |
表7
| BTR0 | SHW | BRP | BTR1 | SAM | TSEG2 | TSEG1 | |||||||||||
| C2 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 3A | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
4 結(jié)論
在不同的系統(tǒng)應(yīng)用中，可以根據(jù)所使用的時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘信號(hào)的頻率偏差、通信波特率及最大傳輸距離等因素，對通信控制器位定時(shí)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化確定。確定得到的參數(shù)可以提高通信系統(tǒng)整體性能，這使CAN總線優(yōu)勢更加明顯，以適合更加廣泛的應(yīng)用。
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