CAN-bus總線信號(hào)傳輸延時(shí)分析及解決方案
由于CAN-bus總線的實(shí)時(shí)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在軌道交通、汽車電子等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著技術(shù)的升級(jí)和CAN節(jié)點(diǎn)的增加，CAN協(xié)議提供的8字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸以及最高1Mbps的波特率已經(jīng)不能滿足工程師的應(yīng)用需求。針對(duì)此現(xiàn)象，CiA協(xié)議聯(lián)合各大車廠，制定出新一代的CAN FD協(xié)議，其主要的內(nèi)容就是將一幀的數(shù)據(jù)段由8字節(jié)提升到64字節(jié)，同時(shí)可以提升數(shù)據(jù)段的波特率，以縮短通訊時(shí)間。
在一些行業(yè)中，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，例如CAN通信在軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，如果CAN-bus總線通訊出現(xiàn)了延遲，會(huì)嚴(yán)重影響軌道交通安全，造成列車運(yùn)行癱瘓，甚至危及人身安全。那么，如何評(píng)估CAN網(wǎng)絡(luò)延時(shí)情況以及如何降低CAN/CAN FD通訊延遲，保證通訊穩(wěn)定呢？接下來(lái)，做詳細(xì)介紹。
CAN-bus總線采用多主通信模式、非破壞式總線仲裁機(jī)制。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文時(shí)，在發(fā)完CRC校驗(yàn)場(chǎng)之后，會(huì)發(fā)出長(zhǎng)度為2個(gè)位的ACK段，如圖1所示。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)正確接收到有效報(bào)文時(shí)，就會(huì)在應(yīng)答間隙（ACK SLOT）向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“顯性”位來(lái)作為回應(yīng)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線呈現(xiàn)顯性狀態(tài)，便認(rèn)為成功發(fā)送報(bào)文。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有檢測(cè)到有效的顯性位，則認(rèn)為總線錯(cuò)誤。所以，CAN FD信號(hào)延遲的最大時(shí)限是確保發(fā)送節(jié)點(diǎn)在應(yīng)答間隙內(nèi)接收到有效的應(yīng)答信號(hào)。
以1Mbit/s波特率為例，在單次采樣模式下，當(dāng)采樣率為75%時(shí)，應(yīng)保證在750ns內(nèi)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠采集到接收節(jié)點(diǎn)發(fā)出的顯性位，否則會(huì)出現(xiàn)總線錯(cuò)誤。即，延時(shí)總和時(shí)間≤位時(shí)間x采樣點(diǎn)百分比。
工程師們?cè)陂_發(fā)設(shè)計(jì)CAN底層硬件時(shí)，需要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景充分考慮延遲帶來(lái)的影響。那么，工程師如何快速評(píng)估CAN網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)情況？如圖2所示，是CANScope分析儀抓取的，由于傳輸延遲導(dǎo)致的錯(cuò)誤波形。
由于 ACK 界定符被前面的應(yīng)答場(chǎng)嚴(yán)重壓縮，導(dǎo)致被某個(gè)節(jié)點(diǎn)識(shí)別為顯性（原本是隱性），所以這個(gè)識(shí)別錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)后面發(fā)出了錯(cuò)誤幀，進(jìn)行全局通知，讓發(fā)送節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送。
CANScope分析儀可以提供傳輸延遲測(cè)量的功能，可以進(jìn)行單幀的延遲測(cè)量，也可以進(jìn)行所有波形的延時(shí)統(tǒng)計(jì)。如圖3所示，可以通過(guò)延遲測(cè)量出導(dǎo)線的等效長(zhǎng)度，即最大延遲÷5ns/m，并給出該波特率下最長(zhǎng)等效傳輸距離。
通過(guò)延時(shí)上限可以了解到，我們需要嚴(yán)格的控制總線上各個(gè)部分造成的延時(shí)時(shí)間，確保延時(shí)時(shí)間總和在一定范圍內(nèi)。接下來(lái)，以CAN FD為例，了解一下造成延時(shí)的具體原因。
如圖4所示，CAN FD網(wǎng)絡(luò)上兩節(jié)點(diǎn)之間通信過(guò)程中，CAN FD報(bào)文首先從節(jié)點(diǎn)A控制器發(fā)出，經(jīng)過(guò)隔離器件、CAN FD收發(fā)器發(fā)送到總線上，再通過(guò)一段距離的傳輸依次達(dá)到節(jié)點(diǎn)B的CAN FD收發(fā)器、隔離器件，CAN FD控制器，最后又節(jié)點(diǎn)B發(fā)出ACK顯性應(yīng)答位，重復(fù)上述過(guò)程到達(dá)節(jié)點(diǎn)A。很明顯，整個(gè)過(guò)程中，會(huì)影響信號(hào)傳輸延遲的因素有：CAN FD控制器、隔離方式、收發(fā)器循環(huán)延時(shí)、線纜傳播。
1．CAN FD控制器延時(shí)
CAN FD控制器造成的延時(shí)可以從兩方面分析：
- 軟件延時(shí)：在應(yīng)用進(jìn)程中，主CPU將數(shù)據(jù)從CAN FD控制器中讀寫耗費(fèi)的時(shí)間；
- 控制器延時(shí)：CAN FD控制器實(shí)現(xiàn)串行化信息所耗費(fèi)的時(shí)間。
這個(gè)過(guò)程中與主控制器、CAN FD控制器、接口芯片等有關(guān)，通常情況下，延時(shí)在納秒級(jí)以下，可以忽略不計(jì)。
2．隔離方式造成的延時(shí)
為了增加信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，通常都?huì)在CAN FD底層硬件設(shè)計(jì)中添加隔離設(shè)計(jì)。隔離器件的添加，帶來(lái)一定的延時(shí)并影響CANFD系統(tǒng)容許的線纜長(zhǎng)度。不同的隔離方式，延時(shí)效果也不同。
常用的解決方案有光耦+CAN FD收發(fā)器，如圖5所示。圖中光耦6N137具有典型的單向延時(shí)60ns，加上全部信號(hào)雙向傳輸會(huì)造成240ns延時(shí)。
相比上述分立器件的隔離方式，也可以采用隔離收發(fā)器的方案，如圖6所示。例如，CTM5MFD采用磁耦隔離方式，延時(shí)時(shí)間在3~5ns。這種情況下，基本不會(huì)影響總線容許通信線纜長(zhǎng)度。
循環(huán)延時(shí)指TXD引腳信號(hào)變化導(dǎo)致至RXD引腳信號(hào)變化的時(shí)間差。如圖7所示，可以測(cè)試TXD和RXD之間的循環(huán)延時(shí)。
CAN FD收發(fā)器循環(huán)延時(shí)由收發(fā)器本身的性能決定，傳播延時(shí)最大可達(dá)幾百納秒。 CAN FD收發(fā)器延時(shí)是CAN總線規(guī)范必測(cè)項(xiàng)目，選取性能高的收發(fā)器，可以有效降低傳輸延時(shí)，增加總線傳輸距離。
4．線纜傳播延時(shí)
線纜是CAN-bus總線傳輸?shù)闹匾橘|(zhì)，其長(zhǎng)度也是影響通訊延時(shí)的重要原因。不同類型的線纜會(huì)造成不同的延時(shí)效果。通常情況下，導(dǎo)線延時(shí)為5ns/m，建議選擇較粗的導(dǎo)線，線徑越大，延遲越小，或者可以使用鍍金、鍍銀的線纜（鍍金的0.2平方毫米線相當(dāng)于1.0平方毫米的銅線）。線徑過(guò)小，其導(dǎo)線阻值過(guò)大，影響傳輸速率造成延遲。線纜的延時(shí)越小，CAN總線傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。
綜合上述介紹，我們可以總結(jié)出以下解決信號(hào)延遲的方案：
- 選擇性能較好的CAN FD收發(fā)器和CAN FD控制器；
- 使用CTM3（5）MFD磁耦隔離收發(fā)器，降低延時(shí)；
- 使用標(biāo)準(zhǔn)線纜，禁止使用電話線、網(wǎng)線等線徑較小的線纜，必要時(shí)可選擇較好材質(zhì)的導(dǎo)線；
- 波特率一定時(shí)，傳輸距離過(guò)大，可以添加CAN FD網(wǎng)橋，降低導(dǎo)線傳輸延時(shí)。
如圖8所示，CANFDBridge是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司開發(fā)的高性能CAN/CANFD智能協(xié)議網(wǎng)橋，集成2路CAN/CANFD可切換接口，支持ISO標(biāo)準(zhǔn)CANFD與Bosch CANFD標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)接口具備獨(dú)立的2500VDC電氣隔離保護(hù)電路，使接口卡避免由于地環(huán)流的損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。
CANFDBridge支持 CAN 轉(zhuǎn) CAN、CAN 轉(zhuǎn)CANFD、CANFD轉(zhuǎn) CAN、CANFD轉(zhuǎn)CANFD 等報(bào)文默認(rèn)轉(zhuǎn)換處理。除此之外，還提供幀映射、合并和拆分等特殊轉(zhuǎn)換處理。用戶可自由設(shè)定 CAN(FD)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)映射、組包拆包等規(guī)則，滿足自身應(yīng)用需求。
如圖9所示，CANScope總線綜合分析儀是一款綜合性的CAN總線開發(fā)與測(cè)試的專業(yè)工具，集海量存儲(chǔ)示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、誤碼率分析儀、協(xié)議分析儀及可靠性測(cè)試工具于一身，并把各種儀器有機(jī)的整合和關(guān)聯(lián)；重新定義CAN總線的開發(fā)測(cè)試方法，可對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)通信正確性、可靠性、合理性進(jìn)行多角度全方位的評(píng)估；幫助用戶快速定位故障節(jié)點(diǎn)，解決CAN總線應(yīng)用的各種問題。
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