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CAN总线位定时和同步的研究与设计
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引 言
控制器局域网CAN是一种用于连接汽车和工业场合中电子控制模块、传感器和执行器的串行、多主通信规范。由于CAN总线具有很强的纠错能力、支持差分收发、传输距离远等特点，因此CAN总线用途非常广泛，现已成为工业数据通信领域的主流技术、基础技术，目前比较流行的TTCan，DeviceNet，CANo-pen，SAE J1939等规范均是以CAN为基础的，因此对CAN总线的深入研究是十分必要的。在CAN规范中，位定时和同步机制是既重要又难于理解的环节之一，它不仅关系到对波特率、总线长度等相关内容的理解，甚至对节点开发的成功与否产生直接的影响。然而，目前相关文献均缺乏针对CAN总线位定时和同步机制的详细分析和探讨。在此以CAN技术规范为基础，深入分析CAN总线的位定时和同步机制，给出硬同步和重同步的定义，并给出相应的图解解释方式，对位时间的组成与结构、同步的发生时刻、同步是如何进行的等关键内容给出了明确而又具体的分析。这里的工作对理解位定时和同步机制的本质、指导位时间参数的设置均具有较高的参考价值。
1 位定时
1.1 位时间的组成
位时间(位周期)tB即1位的持续时间。正常位时间tNBT是正常位速率fNBT(在非重同步的情况下，借助理想发送器每秒发送的位数)的倒数，即tNBT=1／fNBT。正常位时间可划分为几个互不重叠的时间段，这些时间段包括：同步段(SYNC-SEG)、传播时间段(PROP-SEG)、相位缓冲器段1(PHASE-SEG1)、相位缓冲器段2(PHASE-SEG2)。每个时间段由整数个被称为时间份额tQ的基本时间单位组成。tQ是由振荡器周期tCLK派生出的一个固定时间单元。一个时间份额的持续时间通常便是CAN的一个系统时钟周期tSCL。tSCL可通过可编程的预引比例因子进行调整。每个位时间必须由8～25个时间份额组成。位时间的组成如图1所示。
位时间的各个时间段均有其特定的用途：
(1)同步段用于使总线上的各个节点同步，要求有1个跳变沿位于此段内，该段长度为1个时间份额；
(2)传播时间段用于补偿网络内的物理延时，它是信号在总线上传播时间、输入比较器延时和输出驱动器延时之和的2倍，该段长度为1～8个时间份额；
(3)相位缓冲器段1和相位缓冲器段2用于补偿沿的相位误差，通过重同步，相位缓冲器段1可被延长或相位缓冲器段2可被缩短。
这些时间段的长度均是可编程的。在常用的通信控制器(SJA1000)或PAC82C200中，合并传播时间段和相位缓冲器段1，称为时间段1(TSEGl)，相位缓冲器段2称为时间段2(TSEG2)，如图1所示。
采样点是这样一个时刻：在此时刻上，总线电平被读取并被理解为其自身的数值。它位于相位缓冲器段1的终点。在重同步期间，采样点的位置被移动整数个时间份额，该时间份额被允许的最大值称为重同步跳转宽度(SJW)，它可被编程为1～4个时间份额。值得注意的是，重同步跳转宽度并不是位时间的组成部分。
1.2 位定时的作用
位定时是由节点自身完成的(可编程)，节点进行位定时的作用为：
(1)确定位时间，以便确定波特率(位速率)，从而确定总线的网络速度；或在给定总线的网络速度的情况下确定位时间；
(2)确定1位的各个组成部分——同步段、传播时间段、相位缓冲器段1和相位缓冲器段2的时间长度，其中同步段用于硬同步，位于相位缓冲器段1终点的采样点用于保证正确地读取总线电平；
(3)确定重同步跳转宽度以用于重同步。
2 CAN总线同步机制分析
CAN规范定义了自己独有的同步方式：硬同步和重同步。同步与位定时密切相关。同步是由节点自身完成的，节点将检测到来自总线的沿与其自身的位定时相比较，并通过硬同步或重同步适配(调整)位定时。在一般情况下，引起硬同步和重同步发生的、来自总线的沿如图2所示。
2.1 硬同步
CAN技术规范给出了硬同步和重同步的结果，但没有给出硬同步和重同步的定义。这里首先给出硬同步和重同步的定义，然后对其进行分析。
所谓硬同步，就是由节点检测到的，来自总线的沿强迫节点立即确定出其内部位时间的起始位置(同步段的起始时刻)。硬同步的结果是，沿到来时刻的前一时刻(以时间份额tQ量度)，即成为节点内部位时间同步段的起始时刻，并使内部位时间从同步段重新开始。这就是规范中所说的“硬同步强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同步段之内”。硬同步一般用于帧的开始，即总线上的各个节点的内部位时间的起始位置(同步段)是由来自总线的一个报文帧的帧起始的前沿决定的。
同步段的时间长度为1个时间份额。如图3所示.来自总线的引起硬同步的沿在t1时刻到来，则节点检测到该沿。将t1时刻的前一时刻t0(以tQ为周期)作为内部位时间同步段的起始时刻。
2.2 重同步
所谓重同步，就是节点根据沿相位误差的大小调整其内部位时间，以使节点内部位时间与来自总线的报文位流的位时间接近或相等。作为重同步的结果，PHASE-SEG1可被延长或PHASE-SEG2可被缩短，从而使节点能够正确地接收报文。重同步一般用于帧的位流发送期间，以补偿各个节点振荡器频率的不一致。这里涉及到沿相位误差的概念。沿相位误差由沿相对于节点内部位时间同步段的位置给定，以时间份额量度，沿相位误差的符号为e，其定义如下：
(1)若沿处于SYNC～SEG之内，则e=0；
(2)若沿处于采样点之前(TSEG1内)，则e>0；
(3)若沿处于前一位的采样点之后(TSEG2内)，则e<0。
CAN技术规范中也给出了重同步跳转宽度，重同步策略与同步规则，但比较抽象、不易理解。为深入理解节点是如何进行重同步的，图4给出了重同步的图解。在图4中，SY，PR，PS1和PS2分别表示同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2。假定总线位流的第一位(帧起始，为“0”)起始于t1时刻、终止于t2时刻，总线位流的第2位为“1”；从第2位开始，总线位流的“隐性”(“1”)至“显性”(“0”)和“显性”(“0”)至“隐性”(“1”)的跳变沿均用于重同步。在t1时刻，节点检测到总线的跳变沿，便进行硬同步，使t1时刻的跳变沿处于节点内部第1位位时间的同步段内。节点从第1位的同步段开始启动内部位定时，即根据系统要求的波特率给出内部位时间。现假定由于各节点振荡器频率的不一致，在t2时刻的跳变沿未处于节点第2位位时间的同步段SY内，而是处于PS1内，即有e>0。这表明节点内部的位时间小于总线位流的位时间。为了使节点能从总线上通过采样得到正确的位数值，需使节点内部的位时间延长，以使节点内部位时间与总线位流位时间接近或相等。因此，在这种情况下节点应采取的重同步策略为：使PS1延长一定宽度(图4中PS1延长2个时间份额，即同步跳转宽度为大于等于2个时间份额，如为3个时间份额)。e<0的情况与之类似，只是PS2会相应地缩短一定宽度。这与CAN技术规范中的重同步策略是一致的。
控制器局域网CAN是一种用于连接汽车和工业场合中电子控制模块、传感器和执行器的串行、多主通信规范。由于CAN总线具有很强的纠错能力、支持差分收发、传输距离远等特点，因此CAN总线用途非常广泛，现已成为工业数据通信领域的主流技术、基础技术，目前比较流行的TTCan，DeviceNet，CANo-pen，SAE J1939等规范均是以CAN为基础的，因此对CAN总线的深入研究是十分必要的。在CAN规范中，位定时和同步机制是既重要又难于理解的环节之一，它不仅关系到对波特率、总线长度等相关内容的理解，甚至对节点开发的成功与否产生直接的影响。然而，目前相关文献均缺乏针对CAN总线位定时和同步机制的详细分析和探讨。在此以CAN技术规范为基础，深入分析CAN总线的位定时和同步机制，给出硬同步和重同步的定义，并给出相应的图解解释方式，对位时间的组成与结构、同步的发生时刻、同步是如何进行的等关键内容给出了明确而又具体的分析。这里的工作对理解位定时和同步机制的本质、指导位时间参数的设置均具有较高的参考价值。
1 位定时
1.1 位时间的组成
位时间(位周期)tB即1位的持续时间。正常位时间tNBT是正常位速率fNBT(在非重同步的情况下，借助理想发送器每秒发送的位数)的倒数，即tNBT=1／fNBT。正常位时间可划分为几个互不重叠的时间段，这些时间段包括：同步段(SYNC-SEG)、传播时间段(PROP-SEG)、相位缓冲器段1(PHASE-SEG1)、相位缓冲器段2(PHASE-SEG2)。每个时间段由整数个被称为时间份额tQ的基本时间单位组成。tQ是由振荡器周期tCLK派生出的一个固定时间单元。一个时间份额的持续时间通常便是CAN的一个系统时钟周期tSCL。tSCL可通过可编程的预引比例因子进行调整。每个位时间必须由8～25个时间份额组成。位时间的组成如图1所示。
位时间的各个时间段均有其特定的用途：
(1)同步段用于使总线上的各个节点同步，要求有1个跳变沿位于此段内，该段长度为1个时间份额；
(2)传播时间段用于补偿网络内的物理延时，它是信号在总线上传播时间、输入比较器延时和输出驱动器延时之和的2倍，该段长度为1～8个时间份额；
(3)相位缓冲器段1和相位缓冲器段2用于补偿沿的相位误差，通过重同步，相位缓冲器段1可被延长或相位缓冲器段2可被缩短。
这些时间段的长度均是可编程的。在常用的通信控制器(SJA1000)或PAC82C200中，合并传播时间段和相位缓冲器段1，称为时间段1(TSEGl)，相位缓冲器段2称为时间段2(TSEG2)，如图1所示。
采样点是这样一个时刻：在此时刻上，总线电平被读取并被理解为其自身的数值。它位于相位缓冲器段1的终点。在重同步期间，采样点的位置被移动整数个时间份额，该时间份额被允许的最大值称为重同步跳转宽度(SJW)，它可被编程为1～4个时间份额。值得注意的是，重同步跳转宽度并不是位时间的组成部分。
1.2 位定时的作用
位定时是由节点自身完成的(可编程)，节点进行位定时的作用为：
(1)确定位时间，以便确定波特率(位速率)，从而确定总线的网络速度；或在给定总线的网络速度的情况下确定位时间；
(2)确定1位的各个组成部分——同步段、传播时间段、相位缓冲器段1和相位缓冲器段2的时间长度，其中同步段用于硬同步，位于相位缓冲器段1终点的采样点用于保证正确地读取总线电平；
(3)确定重同步跳转宽度以用于重同步。
2 CAN总线同步机制分析
CAN规范定义了自己独有的同步方式：硬同步和重同步。同步与位定时密切相关。同步是由节点自身完成的，节点将检测到来自总线的沿与其自身的位定时相比较，并通过硬同步或重同步适配(调整)位定时。在一般情况下，引起硬同步和重同步发生的、来自总线的沿如图2所示。
2.1 硬同步
CAN技术规范给出了硬同步和重同步的结果，但没有给出硬同步和重同步的定义。这里首先给出硬同步和重同步的定义，然后对其进行分析。
所谓硬同步，就是由节点检测到的，来自总线的沿强迫节点立即确定出其内部位时间的起始位置(同步段的起始时刻)。硬同步的结果是，沿到来时刻的前一时刻(以时间份额tQ量度)，即成为节点内部位时间同步段的起始时刻，并使内部位时间从同步段重新开始。这就是规范中所说的“硬同步强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同步段之内”。硬同步一般用于帧的开始，即总线上的各个节点的内部位时间的起始位置(同步段)是由来自总线的一个报文帧的帧起始的前沿决定的。
同步段的时间长度为1个时间份额。如图3所示.来自总线的引起硬同步的沿在t1时刻到来，则节点检测到该沿。将t1时刻的前一时刻t0(以tQ为周期)作为内部位时间同步段的起始时刻。
2.2 重同步
所谓重同步，就是节点根据沿相位误差的大小调整其内部位时间，以使节点内部位时间与来自总线的报文位流的位时间接近或相等。作为重同步的结果，PHASE-SEG1可被延长或PHASE-SEG2可被缩短，从而使节点能够正确地接收报文。重同步一般用于帧的位流发送期间，以补偿各个节点振荡器频率的不一致。这里涉及到沿相位误差的概念。沿相位误差由沿相对于节点内部位时间同步段的位置给定，以时间份额量度，沿相位误差的符号为e，其定义如下：
(1)若沿处于SYNC～SEG之内，则e=0；
(2)若沿处于采样点之前(TSEG1内)，则e>0；
(3)若沿处于前一位的采样点之后(TSEG2内)，则e<0。
CAN技术规范中也给出了重同步跳转宽度，重同步策略与同步规则，但比较抽象、不易理解。为深入理解节点是如何进行重同步的，图4给出了重同步的图解。在图4中，SY，PR，PS1和PS2分别表示同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2。假定总线位流的第一位(帧起始，为“0”)起始于t1时刻、终止于t2时刻，总线位流的第2位为“1”；从第2位开始，总线位流的“隐性”(“1”)至“显性”(“0”)和“显性”(“0”)至“隐性”(“1”)的跳变沿均用于重同步。在t1时刻，节点检测到总线的跳变沿，便进行硬同步，使t1时刻的跳变沿处于节点内部第1位位时间的同步段内。节点从第1位的同步段开始启动内部位定时，即根据系统要求的波特率给出内部位时间。现假定由于各节点振荡器频率的不一致，在t2时刻的跳变沿未处于节点第2位位时间的同步段SY内，而是处于PS1内，即有e>0。这表明节点内部的位时间小于总线位流的位时间。为了使节点能从总线上通过采样得到正确的位数值，需使节点内部的位时间延长，以使节点内部位时间与总线位流位时间接近或相等。因此，在这种情况下节点应采取的重同步策略为：使PS1延长一定宽度(图4中PS1延长2个时间份额，即同步跳转宽度为大于等于2个时间份额，如为3个时间份额)。e<0的情况与之类似，只是PS2会相应地缩短一定宽度。这与CAN技术规范中的重同步策略是一致的。
这里需要注意的是，相位缓冲段只在当前的位时间内被延长或缩短，在接下来的位时间内，只要没有重同步，各时间段将恢复编程预设值。
3 控制器中位定时参数设置的一般方法
在典型的独立CAN控制器(SJA1000或PCA82C200)中，负责位定时的寄存器为总线定时寄存器0(BTR0)和总线定时寄存器1(BTR1)，其结构如图5所示。
寄存器中有关参数的计算公式如下：
这些参数的范围在CAN中有较严格的规定，具体如表1所示。
在有些情况中.为了优化网络性能，这些参数的设置往往需要考虑传输延迟、时钟偏频等因素。然而，对于一般的开发或工程实际，完全可以根据经验对其进行计算和设置。这里以一个时钟频率为20 MHz、通信波特率为250 Kb／s(位时间为4μs)的系统为例，介绍与位定位有关的各参数的计算方法和步骤。
(1)确定时间份额。
由表1可知，在1个位周期中时间份额的数量必须是8～25之间的 
(3)确定同步跳转宽度和采样次数。
为完成位定时参数的设置，最后还要确定同步跳转宽度和采样次数。同步跳转宽度的一般设置原则是在允许的范围内应尽可能的大一些，这样更有利于在重同步时对沿相位误差的补偿，在这里可将该参数设置为3。采样次数的设置比较容易和直接，对于高速总线，建议将SAM置为“0”，此时总线被采样1次；而对于低／中速总线，建议将SAM置为“1”，此时总线被采样3次。250 Kb／s属于高速总线，所以在这里SAM应置为0。通过以上方法和步骤所确定的各参数值，再结合式(2)、式(3)、式(5)、式(6)可直接得出寄存器BTR0和BTR1的设置值。
4 结 语
(1)结合图解的方式对CAN总线位定时、硬同步和重同步等关键技术的深入探讨和分析，反映了CAN总线位定时和同步机制的本质、清晰地表明了它们在CAN技术规范中的地位与作用。
(2)在CAN总线中，通信波特率(位时间)、每个位时间的采样位置及个数、同步跳转宽度等都可以自行设定。然而，位定时参数如果设置不当就会检测到错误并进行错误处理，导致总线性能下降甚至无法工作。因此要分析、解决这样的问题就需要对CAN总线位定时和同步机制有较深入的理解，从而保证正确地设置位定时参数。
(3)这里所研究的内容，是深入理解和学习CAN总线技术的前提和保证，也是进行后续开发和研究的基础和关键。
