CAN总线学习笔记(5)- CAN通信的位定时与同步

时间:2021-07-01 15:08:51

依照瑞萨公司的《CAN入门书》的组织思路来学习CAN通信的相关知识,并结合网上相关资料以及学习过程中的领悟整理成笔记。好记性不如烂笔头,加油!

1 位定时

1.1 比特率和波特率

1) . 位速率:又叫做比特率(bit rata)信息传输率,表示的是单位时间内,总线上传输的信息量,即每秒能够传输的二进制位的数量,单位是bit per second。
2)波特率:又叫做传码率信号传输率,表示的是单位时间内传输的码元的数量,当两相调制时,一个码元用一个二进制位表示,此时波特率在数值上和比特率是一样的,CAN总线正是两项调制这种情况。

Tips: 比特率波特率并不是一回事儿,这一定一定要牢记。

1.2 位时间

1.2.1 位时间的概念

位时间:表示的是一个二进制位在总线上传输时所需要的时间。
所以:

= 1

首先了解以下CAN总线系统中的两个时钟: 晶振时钟周期CAN时钟周期

  • 晶振时钟周期:是由单片机振荡器的晶振频率决定的,指的是振荡器每震荡一次所消耗的时间长度,也是整个系统中最小的时间单位。
  • CAN时钟周期:CAN时钟是由系统时钟分频而来的一个时间长度值,实际上就是一个时间份额Tq。可以按照下面的公式计算:
    C A N = 2 × × B R P

    其中BRP叫做波特率预分频值(baudrate prescaler)。
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1.2.2 位时间的分段

如上文所述,在CAN的位定时中,一个CAN时钟周期称为一个时间量子Tq
如下图所示:位时间分为四个段:同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2,总共8~25个时间量子(Tq)。
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1)同步段(Synchronization Segment):

  • 长度固定,1个时间量子Tq;
  • 一个位的传输从同步段开始;
  • 同步段用于同步总线上的各个节点,一个位的跳边沿在此时间段内。

2)传播段(Propagation Segment):

  • 传播段用于补偿报文在总线和节点上传输时所产生的时间延迟;
  • 传播段时长 ≥ 2 × 报文在总线和节点上传输时产生的时间延迟 ;
  • 传播段时长可编程(1~8个时间量子Tq)。

3)相位缓冲段1(Phase Buffer Segment1):

  • 用于补偿节点间的晶振误差;
  • 允许通过重同步对该段加长;
  • 在这个时间段的末端进行总线状态的采样;
  • 长度可编程(1~8个时间量子Tq)

4)相位缓冲段2(Phase Buffer Segment2):

  • 用于补偿节点间的晶振误差;
  • 允许通过重同步对该段缩短;
  • 长度可编程(1~8个时间量子Tq)

于是

t B i t = t S S + t P S + t P B S 1 + t P B S 2

tBit:位时间
tSS:同步段时间
tPS:传播段时间
tPBS1:时间段1
tPBS2:时间段2

2 CAN的同步机制

在CAN通信中,有两种同步机制:硬同步重同步

2.1 同步的规则

一个位时间内只允许一种同步方式,要么硬同步要么重同步;
☆ 任何一个从“隐性”到“显性”的下降沿 都可以用于同步;
硬同步发生在报文的SOF位,所有接收节点调整各自当前位的同步段,使其位于发送的SOF位内;
重同步发生在一个报文SOF位之外的其它段,当下降沿落在了同步段之外时发生重同步;
☆ 在SOF到仲裁场发送的时间段内,如果有多个节点同时发送报文,那么这些发送节点对跳变沿不进行重同步

2.2 硬同步

硬同步发生在SOF位,所有接收节点调整各自当前位的同步段调整宽度不限
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(1)发送节点Node_A在发送SOF位时,SOF位的下降沿在SS段;
(2)这个时候接收节点Node_B发现自己当前位的SS段和发送节点SOF位的SS段不同步。也就是说当Node_A产生SOF位SS段时,Node_B的当前位的SS段已经在5个Tq之前产生了;
(3)于是接收节点Node_B强行将自己当前位的SS段拉到与SOF位的SS段同步。

2.3 重同步

重同步发生在一个报文SOF位之外的其它位场内,当接收节点Node_B当前位的下降沿落在了发送节点Node_A当前位的同步段之外时发生重同步。
重同步会导致相位缓冲段1的延长或者相位缓冲段2的缩短,从而保证采样点的准确。

2.3.1 PBS1延长

发的晚(慢),收的早(块),导致PBS1延长。
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如上图所示:
(1)发送节点Node_A比接收节点Node_B的时间慢了,也就是说Node_A当前位的ss段产生的时候,Node_B 当前位的ss段已经在2个Tq之前产生了;
(2)所以这个时候接收节点Node_B就将PBS1延长2个Tq的时间;
(3)于是这个时候Node_A当前位的采样点就和Node_B的采样点同步了。

2.3.2 PBS2缩短

发的早(快),收的晚(慢),导致PBS2缩短。
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如上图所示:
(1)发送节点Node_A当前位的SS段诞生2Tq时长之后,接收节点Node_B的当前位才产生SS段;
(2)于是,接收节点Node_B当前位的PBS2段缩短,
(3)这样就会导致接收节点Node_B的下一位能够提前2个Tq,从而Node_B的下一位采样点和Node_A下一位的采样点能够同步。

2.3.3 同步跳转宽度

在重同步时,有个同步跳转宽度(SJW,Synchro Jump Width)的概念,表示的是PBS1和PBS2重同步时允许跳转的最大宽度
同步跳转宽度必须满足以下几个条件:

  • SJW必须小于PBS1和PBS2的最小值
  • SJW最大值不能超过4

3 位定时参数的确定

位定时的参数主要涉及以下几个:
(1)位速率:单位为bps、Kbps、Mbps

1 M b p s = 1000 K b p s = 1000000 b p s

(2) 位时间:tBit,单位一般为纳秒(ns)
t B i t = 1

(3) 时间量子Tq
T q = 1 N B T

NBT 表示的是一个位时间tBit内包含Tq的个数。
(4) 传输延迟时间tPTS
CAN报文在CAN总线上的传输时,物理延迟包含两个部分:

  • 在CAN-BUS上传输造成的延迟
  • 在节点上传输造成延迟
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    按照CAN通信协议的规定,补偿给传播延迟的时间长度要至少等于实际实际传播延迟时长的2被,即:
    t P T S 2 × t d e l = 2 × ( t d e l + t B u s )

需要注意的是

Tips: 在CAN总线通信系统中是以时间量子Tq来度量时间的,所以如果延迟补偿时间tPTS = 3.1Tq,那么这个时候要取:tPTS = 4Tq。

(5)相位缓冲段
相位缓冲段的时间长度分为两种情况:

if (NBT-1-tPTS_Tq)/2==偶数
    PBS1_Tq = PBS2_Tq = (NBT-1-tPTS_Tq)/2
else
    PBS1_Tq = (NBT-1-tPTS_Tq)/2
    PBS2_Tq = PBS1_Tq + 1

(6) 同步跳转宽度

S J W = m i n ( P B S 1 _ T q , 4 )

(7) 验证晶振误差Df
CAN总线的晶振误差必须同时满足下面三个条件:

  • D f <= S J W ( 2 × 10 × N B T )
  • D f <= m i n ( P B S 1 _ T q , P B S 2 _ T q ) 2 × ( 13 × N B T P B S 2 _ T q )
  • D f 1.58 %

4 例子

以下面的例子来讲述位定时参数的确定方法:
MCU晶振16MHz,位速率1Mbps,总线长度20m,单位总线延迟5ns/m,物理接口的发送接收延迟150ns

(1)晶振时钟周期:T=1s/16MHz = 62.5ns
(2)位时间 :tBit = 1/1Mbps = 1000ns
(3)BPR和NBT:考虑到 T = 125ns,tBit = 1000ns,所以BPR只能取值为1,才能满足NBT∈[8,25],于是预分频数BPR=1;
(4)CAN时钟周期Tq = 2 × 62.5 × 1 = 125ns
(5)NBT = 8
(6)传输延迟时间tPTS

t P T S = 2 × 20 × 5 + 150 = 500 n s

所以
t P T S _ T q = t P T S T q = 500 125 = 4

于是NBT=8个Tq的长度中需要有4个Tq用于补偿传播延迟,于是还剩下4个Tq,
SS同步段长度固定占据1个Tq,还剩3个Tq,于是PBS1分配一个Tq,PBS2分配2个Tq。
(7)同步跳转宽度
S J W = m i n { P B S 1 , 4 } = 1

(8)晶振误差

  • D f <= S J W ( 2 × 10 × N B T ) = 1 ( 2 × 10 × 8 ) = 0.00625
  • D f <= m i n ( P B S 1 _ T q , P B S 2 _ T q ) 2 × ( 13 × N B T P B S 2 _ T q ) = 1 2 × ( 13 × 8 2 ) = 0.00490