隔離型CAN收發(fā)器的延時分析
CAN總線采用了多主競爭式總線結構，采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向總線傳輸數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，由于這些節(jié)點對每一個位進行監(jiān)聽，并且必須服從于更高優(yōu)先級的消息，因此它們的響應時間必須快到能夠在破壞下一個比特以前終止傳輸。
以下通過實際例子對總線狀態(tài)進行分析。由于實際組網(wǎng)中，節(jié)點之間通過線纜連接，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收及傳輸都會有一定的延時。CAN系統(tǒng)設計時，就需要考慮延時對系統(tǒng)的影響。現(xiàn)假設一個CAN網(wǎng)絡，只有A、B兩個節(jié)點，A、B之間的總單向延時為200ns，即為A到B，或B到A的發(fā)送、傳輸及接收延時的總和。信號傳輸速率為1Mbps，即位時間為1000ns。
如圖1所示，節(jié)點A在時間t=0時開始發(fā)送一條消息，從而在總線（2）上傳輸一個顯性位。有可能出現(xiàn)的情況是，節(jié)點B剛好在節(jié)點A的信號被接收到以前（3）開始發(fā)送，也即時間t=199ns。當時間t=1000ns，節(jié)點A第二位開始之初，在節(jié)點A轉(zhuǎn)到隱性狀態(tài)以前（4）兩個節(jié)點都沒意識到對方的有效性。然后，節(jié)點B在時間t=1199ns的第二位開始之初（6），轉(zhuǎn)到隱性狀態(tài)。另一個單向延遲以后，該隱性電平才到達節(jié)點A，時間 t=1399ns（8）。只有在這時，節(jié)點A才能讀取RXD信號，并且可以確定其代表總線的真實狀態(tài)。
從分析可知，只有通過兩倍單向延時，節(jié)點A才能夠判別總線的真實狀態(tài)。由于CAN協(xié)議固有的逐位仲裁機制，這種雙向延遲必須較好地位于一個位時間預算范圍內(nèi)。否則，在第二個位仲裁完成以前，節(jié)點A就可能開始傳送其第三個位。
為保證節(jié)點每位采樣到的總線電平都是總線的真實狀態(tài)，CAN的每一個位時間都定義一段時間，用于補償雙向延時，即PROP_SEG傳播段?？倐鬏斞訒r必須小于PROP_SEG的設定時間，而采樣點在PROP_SEG之后，保證每個節(jié)點在對總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實等待足夠長的時間，使采樣數(shù)據(jù)正確。（PROP_SEG為位時間配置的范疇，超出本文范圍，如需要更深入的了解，請查閱相關的文獻。）
CAN 標準規(guī)定，線纜的傳輸延遲為5ns/m，1Mbps信號速率時最大線纜長度為40m。通信速率為1Mbps，即位時間為1000ns，PROP_SEG設定為650ns時，由于線纜本身具有200ns的單向延時（即400ns的雙向延時），從而使收發(fā)器和相關電路的總延遲只剩約250ns。也就是說，如果CAN底層硬件的傳輸延時只要小于250ns，線纜長度即可達到40m。
CAN 收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“循環(huán)延時”，其包括驅(qū)動器和接收機延遲。由于雙向計算中涉及兩個收發(fā)器，因此每個收發(fā)器都應有125ns或者更低的循環(huán)延時，以支持1Mbps信號速率下40m的總線長度。如果收發(fā)器電路包括更多的器件，如隔離、電平轉(zhuǎn)換或保護組件，這些器件產(chǎn)生的延時也必須包括在總延時預算中。
在實際使用中，為了提高CAN節(jié)點的可靠性，CAN底層硬件通常會使用隔離設計。常用解決方案有采用光耦+CAN收發(fā)器，如6N137+TJA1051，圖2；或者直接使用隔離收發(fā)器，如CTM1051KT，圖3。
若采用圖2的隔離方案，光耦6N137具有典型的60ns單向延時，而全部雙向信號必須經(jīng)過4個光耦，加上單個TJA1051約120ns的典型循環(huán)路延時，總的循環(huán)延時達到480ns。在位時間配置不變的情況下， 1Mbps速率實際只能傳輸約17m的距離，這樣大大地縮短了CAN系統(tǒng)的容許線纜長度。
而采用圖3所示的隔離方案，單個CTM1051KT的循環(huán)延時典型為130ns，與單個TJA1051的循環(huán)延時基本一致，在位時間配置不變的情況下，CTM1051KT自帶隔離基本不會對容許線纜長度造成影響，完全滿足1Mbps速率下約40m的傳輸距離。
若想從硬件底層著手，在通信速率不變的情況下，增加CAN通信的距離，必須了解CAN通信的原理及信號線傳輸?shù)脑?，盡量減小CAN信號傳輸?shù)难訒r時間，從而提高實際通信的距離。
