CAN总线学习笔记（5）- CAN通信的位定时与同步

程序员文章站 2022-04-01 18:42:58

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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: 比特率和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：

位 速 率 = \frac{1}{位 时 间}

首先了解以下CAN总线系统中的两个时钟：晶振时钟周期和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：
$C A N 时钟周期 = 2 \times 晶振时钟周期 \times B R P$
其中BRP叫做波特率预分频值（baudrate prescaler）。

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：硬同步与重同步。

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 = \frac{1}{位 速 率}

（3）时间量子Tq：

T q = \frac{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

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：
$t P T S \geq 2 \times t_{d e l} = 2 \times (t_{d e l} + t_{B u s})$

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：

$D_{f} <= \frac{S J W}{(2 \times 10 \times N B T)}$
$D_{f} <= \frac{m i n (P B S 1_T q, P B S 2_T q)}{2 \times (13 \times N B T - P B S 2_T q)}$
$D_{f} \leq 1.58 %$

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 \times （ 20 \times 5 + 150 ） = 500 n s

所以

t P T S_T q = \frac{t P T S}{T q} = \frac{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

$D_{f} <= \frac{S J W}{(2 \times 10 \times N B T)} = \frac{1}{(2 \times 10 \times 8)} = 0.00625$
$D_{f} <= \frac{m i n (P B S 1_T q, P B S 2_T q)}{2 \times (13 \times N B T - P B S 2_T q)} = \frac{1}{2 \times (13 \times 8 - 2)} = 0.00490$