信號速率與線(xiàn)纜長(cháng)度的關(guān)系：CAN 總線(xiàn)計時(shí)權衡因素

有一個(gè)關(guān)于得克薩斯州民間英雄 Pecos Bill 的故事：那時(shí)，有人打賭他不能從從得克薩斯州的加爾維斯敦游過(guò)墨西哥灣到達弗羅里達州的基韋斯特。他訓練了一個(gè)月，當這一天到來(lái)時(shí)他便一頭扎進(jìn)了墨西哥灣。Bill 不分晝夜地游了一個(gè)星期，期間戰鯊魚(yú)斗颶風(fēng)。最終，他離自己的目標越來(lái)越近。然而，當他在海浪中看到遠處的基韋斯特時(shí)，他意識到他已經(jīng)太累，無(wú)法再繼續向前游了，因此他轉身游回了得克薩斯！

致力于 CAN 通信的設計人員就像 Pecos Bill 一樣面對他們所遇到的種種挑戰，往返信號傳輸成為一個(gè)重要的考慮因素。

當一個(gè)以上節點(diǎn)要在共用總線(xiàn)上發(fā)送信號時(shí)，控制器局域網(wǎng) (CAN) 協(xié)議的一個(gè)關(guān)鍵特性就是如何處理總線(xiàn)爭用問(wèn)題。CAN 使用逐位仲裁 (bit-wise arbitration) 來(lái)選擇哪一個(gè)節點(diǎn)應該繼續信號傳輸。由于這些節點(diǎn)對每一個(gè)比特位進(jìn)行監聽(tīng)，并且必須服從于更高優(yōu)先級的消息，因此它們的響應時(shí)間必須快到能夠在破壞下一個(gè)比特以前終止傳輸。如下面三種情況所述，這就對容許組件延遲和線(xiàn)纜長(cháng)度以及可用信號速率構成了一些限制。

情況 1：無(wú)爭用正常 CAN 總線(xiàn)運行
通常每次只有一個(gè)節點(diǎn)要通過(guò)共用 CAN 總線(xiàn)通信。沒(méi)有一般性損耗的情況下，我們來(lái)討論一種二節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，然后再將這種討論延伸至更多節點(diǎn)。圖 1 描述了其工作原理。首先，兩個(gè)節點(diǎn)都處于非占用狀態(tài)，因此總線(xiàn)上沒(méi)有差動(dòng)信號，如（1a）所示。如果節點(diǎn) A 開(kāi)始通信，則其使用一個(gè)占用位啟動(dòng)一個(gè) CAN 消息。向 CAN 收發(fā)器發(fā)送的傳輸數據 (TXD) 輸入是一個(gè)邏輯 0，其命令差動(dòng)驅動(dòng)器在總線(xiàn)線(xiàn)路上生成一個(gè)差動(dòng)信號，如（1b）所示。節點(diǎn) A 的接收機感應到該差動(dòng)信號，并在已接收數據引腳 (RXD) 上輸出一個(gè)邏輯 0。差動(dòng)電壓根據 (1c) 和(1d) 所示雙絞線(xiàn)對的傳輸線(xiàn)路屬性進(jìn)行傳輸。最終，差動(dòng)信號到達節點(diǎn) B，節點(diǎn) B 的接收機也在 RXD 上輸出一個(gè)邏輯 0，如 (1e) 所示。這時(shí)，節點(diǎn) B 注意到節點(diǎn) A 已經(jīng)開(kāi)始一個(gè) CAN 消息，這樣節點(diǎn) B 便不會(huì )在節點(diǎn) A 完成以前發(fā)起消息。

圖 1 A 到 B 的正常信號傳輸
需要注意的是，節點(diǎn) B 并非馬上就知道節點(diǎn) A 已經(jīng)開(kāi)始一條消息，因為從 A 到 B 的信號具有一定的延遲。這種情況下的總延遲為通過(guò) A 處收發(fā)器（以及相關(guān)的隔離和緩沖電路）的延遲加上通過(guò)線(xiàn)纜的傳輸延遲，再加上 B 處收發(fā)器、隔離和緩沖電路的延遲的總和。乍一看，似乎這種單向延遲就是確保節點(diǎn)　B　不同節點(diǎn)　A　發(fā)送消息相沖突所需的關(guān)鍵計時(shí)限制。正如我們在情況 2 中所看到的一樣，這并非故事的全部。
情況 2：延遲爭用，后發(fā)消息具有更高的優(yōu)先級
我們的下一種情況（圖 2）假設，節點(diǎn) A 再次發(fā)起一條消息，但是節點(diǎn) B 在稍后發(fā)起的一條消息具有更高的優(yōu)先級。如前所述，這種情況以?xún)蓚€(gè)節點(diǎn)均處在非占用模式作為開(kāi)始，如 (2a 所示，隨后節點(diǎn) A 變?yōu)檎加茫ㄈ纾?b）所示）發(fā)起一條消息。該占用差動(dòng)電壓再次沿線(xiàn)纜傳輸。在信號到達 B 處的收發(fā)器以前，該節點(diǎn)剛好利用如（2c）所示占用位發(fā)起一條消息。這時(shí)，兩個(gè)節點(diǎn)都正傳輸一個(gè)占用位，并且兩個(gè)節點(diǎn)都正接收一個(gè)占用位（如（2d）所示），然后兩個(gè)節點(diǎn)都沒(méi)意識到另一個(gè)節點(diǎn)也已啟用。由于在我們的假設情況中，節點(diǎn) A 具有比節點(diǎn) B 更低的優(yōu)先級，因此有時(shí)節點(diǎn) A 會(huì )通過(guò)將其 TXD 設置為 0（如（2e）所示）來(lái)發(fā)出一個(gè)非占用位。但是，由于節點(diǎn) B 的作用，RXD 會(huì )感應到總線(xiàn)仍然處在占用狀態(tài)下。

圖 2 延遲爭用―B 具有高優(yōu)先級

通過(guò)研究某個(gè)具有實(shí)際延遲值的假設案例，我們可以更加具體地介紹這些計時(shí)要求。在我們的二節點(diǎn)例子中，設定總單向延遲為 200ns，信號傳輸速率為 1Mbps，也就是 ISO 11898-2 標準規定的最大值。這樣，位時(shí)間便為 1000ns。除節點(diǎn) B 的第二位會(huì )是同節點(diǎn) A 的消息優(yōu)先級匹配的 0（非占用）以外，其同情況 2 所述一樣。（情況 2 中，節點(diǎn) B 具有一個(gè)占用第二位，表明更高的消息優(yōu)先級。）

圖 3 中，節點(diǎn) A 在時(shí)間 t=0 時(shí)開(kāi)始一條消息，從而在總線(xiàn)（b）上傳輸一個(gè)占用位。如圖 2 所示，其可能出現的情況是，節點(diǎn) B 剛好在節點(diǎn) A 的信號被接收到以前（c）開(kāi)始發(fā)送，也即時(shí)間t=199ns。當時(shí)間 t=1000ns 的第二位開(kāi)始之初，在節點(diǎn) A 轉到非占用狀態(tài)以前兩個(gè)節點(diǎn)都沒(méi)意識到對方的有效性。然后，節點(diǎn) B 在時(shí)間 t=1199ns 的第二位開(kāi)始之初，轉到非占用狀態(tài)。另一個(gè)單向延遲以后，該非占用信號到達節點(diǎn)A，時(shí)間 t=1399ns。只有在這時(shí)，節點(diǎn) A 才讀取 RXD 信號，并且可以確定其代表網(wǎng)絡(luò )的真實(shí)狀態(tài)。

圖 3 延遲爭用―節點(diǎn) A 和 B 具有相同的優(yōu)先級