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CAN總線中位定時的設定方法
CAN總線中位定時的設定方法 張健摘要:在CAN總線中,位定時有一點小錯誤就會導致總線性能嚴重下降。雖然在許多情況下，位同步會修補由于位定時設置不當而產生的錯誤，但不能完全避免出錯情況，并且在遇到兩個或多個CAN節(jié)點同時發(fā)送的情況時，錯誤的采樣點會使節(jié)點啟動錯誤認可標志，使節(jié)點不能贏得總線上的任何活動。因此要分析、解決這樣的錯誤就需要對CAN總線位定時中的位同步和CAN節(jié)點的工作過程有一個深入的了解。本文描述了CAN總線位同步的運行規(guī)則以及如何對位定時的參數(shù)進行設置。
關鍵詞：總線 位定時 同步 延遲
1． 前言
CAN總線的數(shù)據傳輸速率最高可達1Mbit/s，通常用石英晶振作為時鐘發(fā)生器，可以獨立進行位定時的參數(shù)設置，這樣即使網絡中節(jié)點之間的時鐘周期不一樣仍可獲得相同的位速率。但網絡中晶振的頻率不是絕對穩(wěn)定的，溫度、電壓以及器件的異常都會導致微小的差別，但只要將其穩(wěn)定在振蕩器容差范圍之內，總線上的節(jié)點會通過重同步進行彌補。
CAN總線的一個位時間可以分成四個部分：同步段，傳播段，相位段1和相位段2，每段的時間份額的數(shù)目都是可以編程控制的，而時間份額的大小tq由系統(tǒng)時鐘tsys和波特率預分頻值BRP決定：tq=BRP/tsys。如圖1：
圖1 參數(shù)范圍說明 分頻值 [1…….32] 規(guī)定時間份額的長度 同步段 1tq 固定長度，同步總線節(jié)點 傳播時間段 [1…….8]tq 補償總線物理延遲時間 相位緩沖段1 [1…….8]tq 重同步時可以暫時延長 相位緩沖段2 [1…….8]tq 重同步時可以暫時縮短 同步跳轉寬度 [1…….4]tq 長度小于相位緩沖段表1：位時間的參數(shù)2．同步段
（1）同步段用于同步總線上的各個節(jié)點,在此段內期望有一個跳變沿出現(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度叫做沿相位誤差。采樣點位于相位緩沖段1的末尾和相位緩沖段2開始處。
（2）傳播時間段用于補償總線上信號傳播時間和電子控制設備內部的延遲時間。因此，要實現(xiàn)與位流發(fā)送節(jié)點的同步，接收節(jié)點必須移相。CAN總線非破壞性仲裁規(guī)定，發(fā)送位流的總線節(jié)點必須能夠收到同步于位流的CAN總線節(jié)點發(fā)送的顯性位。圖2顯示了兩個總線節(jié)點的相移和傳播段時間。
圖2在這個例子里，節(jié)點A和節(jié)點B都是發(fā)送節(jié)點，因此總線要對兩個節(jié)點進行仲裁。節(jié)點A比節(jié)點B提前發(fā)送不到1個位時間，當節(jié)點B收到延遲后的跳變沿時，B節(jié)點要同步于A節(jié)點，對位時間進行移相。移相后節(jié)點B發(fā)送的標識號有較高優(yōu)先級，因此節(jié)點B贏得總線的使用權，如圖節(jié)點B發(fā)送的顯性位經過延遲后到達節(jié)點A。
因為存在振蕩器容差，節(jié)點A的采樣點在相位緩沖段的位置是不能確定的，所以節(jié)點B發(fā)送的位流必須在A節(jié)點的相位緩沖段1開始之前到達，因此傳播時間段的長度將受到這個條件的限制。如果節(jié)點B發(fā)送一個隱性到顯性的跳變沿，節(jié)點A在相位緩沖段1開始之后收到，那么節(jié)點A就有可能采樣到一個隱性位，導致產生一個位錯誤。這樣的錯誤只有當兩個節(jié)點都參與總線仲裁,且總線比較長,節(jié)點的振蕩器頻率相差較大時才會出現(xiàn)。另外，CAN總線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，并通過位定時邏輯確定位的正確值，這樣就會要求額外的一個時間份額的延遲，因而需要更長的傳播時間段。
3．相位緩沖段和同步
同步跳轉寬度規(guī)定了重同步發(fā)生時采樣點在相位緩沖段內移動的距離。相位緩沖段和同步跳轉寬度用來補償振蕩器容差，發(fā)生重同步時相位緩沖段會被加長或縮短。當總線發(fā)生從隱性到顯性跳變時，會產生同步，其作用是控制沿與采樣點之間的距離�？偩�節(jié)點在每個時間份額都會采樣總線，并與前一次采樣值進行比較，如果前一次采樣值是隱性而當前的采樣值是顯性，那么總線節(jié)點就會發(fā)生一次同步。如果跳變沿出現(xiàn)在同步段的前面，沿相位錯誤就是負的，反之就是正的。
在幀起始時，總線會進行一次硬同步。硬同步后,位時間由每個位定時邏輯單元在同步段之后重新啟動，強迫引起硬同步的邊沿處于重新啟動位時間的同步段內。
當引起重同步的沿相位錯誤幅值小于或等于同步跳轉寬度的數(shù)值時，重同步導致位時間的延長或縮短，使采樣點處于適當?shù)奈恢�。當沿相位誤差幅值大于重同步跳轉寬度時，如果相位誤差為正，相位緩沖段1延長數(shù)值等于同步跳轉寬度；如果相位誤差為負，相位緩沖段2縮短數(shù)值等于同步跳轉寬度。
通過同步，總線可以有效地濾除長度小于傳播段與相位緩沖段1長度之和的噪聲。但在一個位時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，總線上的所有節(jié)點都要同步于最先開始發(fā)送的節(jié)點，但是由于總線延遲，節(jié)點的同步不可能達到理想的要求。如果最先發(fā)送的節(jié)點沒有贏得總線仲裁，那么所有的接收節(jié)點都要重新同步于獲得總線仲裁的節(jié)點。應答場的情況也是如此，總線上的接收節(jié)點都要同步于最先發(fā)送顯性位的節(jié)點。但是當發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的時鐘周期不同并經過多次同步累加起來,振蕩器容差會導致同步在仲裁場之后出現(xiàn)。圖3列舉了沿相位誤差為正負兩種情況，中間的圖作為參考。說明了相位緩沖段如何彌補沿相位錯誤。
圖3在第一個例子里，同步段末端出現(xiàn)了一個隱性到顯性的跳變沿，那么相位緩沖段1將加長，使得跳變沿到采樣點之間的長度與沒有跳變沿出現(xiàn)時同步段到采樣點之間的長度相等。由于沿相位誤差小于同步跳轉寬度，因此重同步補償了沿相位誤差，在下一個正常位時間到來時，顯性到隱性的跳變沿就出現(xiàn)在同步段。在第二個例子中，一個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會縮短,并且同步段會被省略, 這是因為當節(jié)點同步于邊沿時，節(jié)點無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寬度,所以重同步取得的效果與第一個例子是一樣的。需要注意的是，相位緩沖段只是暫時的被加長或者縮短，在下一個位時間，緩沖段又會恢復預設值。圖4顯示了同步是怎樣消除顯性噪聲干擾的。列舉的兩個例子中，噪聲都是在傳播段的末尾開始，長度為傳播時間段與相位緩沖段1的和。
圖4在第一個例子里，同步跳轉寬度大于或者等于噪聲跳變沿的相位誤差，因此采樣點適當移動，采樣值為隱性位，消除了噪聲。在第二個例子中，同步跳轉寬度小于沿相位誤差，采樣點移動的長度不夠，顯性值被當作總線的真實值采樣。
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、同步跳轉寬度和位時間。最大容差范圍需要滿足下面兩個條件：
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