CAN總線位定時(shí)參數(shù)的確定

CAN總線位定時(shí)參數(shù)的確定

摘要：CAN通信中，波特率、位周期內(nèi)取樣點(diǎn)數(shù)和位置可以編程設(shè)置，這些設(shè)置為用戶根據(jù)其應(yīng)用優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信性能提供了方便。優(yōu)化位定時(shí)參數(shù)，能夠保證信息同步，保證傳輸延遲和時(shí)鐘誤差在極端條件下進(jìn)行恰當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤檢測(cè)。本文說(shuō)明位定時(shí)參數(shù)的確定方法。

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(guò)設(shè)定位定時(shí)參數(shù)來(lái)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(zhǎng)；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(duì)位定時(shí)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化位置。

通過(guò)對(duì)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

位周期的組成

波特率是指單位時(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(zhǎng)度決定，如下式所示。

Fbit=1/Tbit

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、相位緩沖段1和相位緩沖段2。

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。具體到SJA1000，TSCL由總線時(shí)序寄存器的值來(lái)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和總線時(shí)序寄存器1。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的值。位功能說(shuō)明如表1所列。

表1

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

TSCL=2TCLK×BRP=2TCLK×(++

++++1)

其中TCLK為參考時(shí)間的周期。

TCLK=1/fCLK

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(zhǎng)的時(shí)鐘周期的最大數(shù)目。

tSJW=TSCL×

總線時(shí)序寄存器1定義每個(gè)位周期長(zhǎng)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(shuō)明如表2所列，其中SAM意義見(jiàn)表3。

表2

表3位值功能SAM0三倍：總線采樣三次：建議在中/低速總線使用，有處于過(guò)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

TSEG1和TSEG2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

tTSEG1=TSCL×(8×+4×+2×+1×+1)(7)

tTSEG2=TSCL×(4×+2×+1×+1)(8)

位周期的標(biāo)量值定義為，SYNC_SEG、TSEG1、TSEG2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。

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(chēng)這種偏差為參考時(shí)鐘誤差。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Δf1，可以進(jìn)行近似。

TSCL，min=(TSCL,rat)/(1+Δf)

≈TSCL,rat×(1-Δf)

TSCL，max=(TSCL,rat)/(1-Δf)≈TSCL，rat×(1+Δf)(12)

傳輸延遲

CAN總線采用無(wú)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(guò)長(zhǎng)，將導(dǎo)致無(wú)效的訪問(wèn)仲裁。傳輸延遲時(shí)間由物理總線延時(shí)、總線驅(qū)動(dòng)器延時(shí)和其它設(shè)備傳輸延遲共同決定。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)量值可以由公式得到。

PROP=tprop/TSCL(14)

同步

通過(guò)同步機(jī)制，可以消除由于相位誤差帶來(lái)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(kāi)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?。同步邊沿的相位誤e，由相對(duì)于同步邊沿的位置而定，以系統(tǒng)時(shí)鐘周期。其它定及重同步處理方式

e=0，同步邊沿發(fā)生在SYNC_SEG內(nèi)；

e0，同步邊沿發(fā)生在TSEG1內(nèi)；

e0，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(zhǎng)，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(méi)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(guò)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(zhǎng)，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(cè)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

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～可見(jiàn)，SJW和TSEG2由NBF、Δf、PROP分別決定。計(jì)算得到SJW和TSEG2后，由公式可以得到TSEG1。根據(jù)SJA1000的寄存器說(shuō)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(shuō)明最小值典型值最大值fBit/(kb·s-1)通信波特率250tbit/μs位周期時(shí)間4fCLK/MHzCAN控制器的時(shí)鐘頻率24Δf/%時(shí)鐘頻率偏差/ns總線驅(qū)動(dòng)器延時(shí)3075157toth/ns其它設(shè)備延時(shí)1540δ/(ns·m-1)線路延時(shí)5/m節(jié)點(diǎn)間總線長(zhǎng)度395tBUS/ns計(jì)算得到線路延時(shí)tBUS=L·δ15618fprop/ns計(jì)算得到傳輸延時(shí)，公式1201630

①確定可能的BRP、NBT和PROP。

由公式、、及得到

NBT=1/(fbit·TSCL)=fCLK/(2fbit·BRP)

所以有NBT·BRP=fCLK/2fbit

將參數(shù)代入公式得到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5fCLKNBTBRPTSCL/nsPROP

maxPROPmin有效性無(wú)無(wú)無(wú)有有無(wú)

②計(jì)算NBTmin和NBTmax。由公式、、、及推出

NBT≥

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到≤NBT≤。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)公式計(jì)算SJWmin，如表6所列。

④根據(jù)公式計(jì)算TSEG2min，如表6所列。

⑤根據(jù)公式計(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{,}max44TSEG2{2,SJW}max{8,,}min4TSEG1TSEG1=NBT-TS