什么是CAN信號中的位時(shí)間和位同步

CAN協(xié)議與其它現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的區別中有一個(gè)是：它使用同步數據傳輸而不是異步傳輸(面向字符)。這意味著(zhù)傳輸性能得到更有效的發(fā)揮，但是另一方面，這需要更加復雜的位同步方法。

在面向字符的協(xié)議中的位同步實(shí)現起來(lái)很簡(jiǎn)單，在接受每個(gè)字符的起始位時(shí)進(jìn)行同步。但在同步傳輸協(xié)議中，只有一幀的開(kāi)始才有一個(gè)起始位。這通常不足以使接收器的位采樣和發(fā)送器保持同步。為了使接收器在幀結束時(shí)也能正確采樣到接收的位流，就需要接收器不斷進(jìn)行重新同步。重新同步表示在位流中每個(gè)有效的信號邊沿都可對接收信號的時(shí)鐘周期進(jìn)行檢測。在信號邊沿間的最大時(shí)間周期內，發(fā)送和接受振蕩器之間最大可能的時(shí)間差必須在一個(gè)位間隔內的標稱(chēng)采樣點(diǎn)之前和之后通過(guò)足夠的空閑時(shí)間(“相位緩沖段”)來(lái)補償。

由于CAN協(xié)議使用非破壞性的位總線(xiàn)仲裁和顯性應答位，信號從發(fā)送器傳輸到接收器再返回到接收器必須在一個(gè)位時(shí)間內完成。因此除了保留用于同步的時(shí)間外，還需要一個(gè)時(shí)間段(“傳輸延遲段”)對總線(xiàn)上的信號傳輸進(jìn)行補償以及用于發(fā)送和接收節點(diǎn)的內部信號延遲。

圖 1所示為標稱(chēng)的位時(shí)間，劃分為4個(gè)不重疊的時(shí)間段：

· 同步段(Sync_Seg)

· 傳輸時(shí)間段(Prop_Seg)

· 相位緩沖段1(Phase_Seg1)

· 相位緩沖段2(Phase_Seg2)

圖 1 位時(shí)間的劃分

一個(gè)位間隔的時(shí)間段的長(cháng)度根據振蕩器周期，被定義為一個(gè)基本時(shí)間單位(時(shí)間份額)的倍數?；緯r(shí)間單位tq是表示同步機制時(shí)間分辨率的基本單位并且因為同步段而被引入到位時(shí)間中。同步段是位時(shí)間中CAN信號電平的邊沿將要產(chǎn)生的那一部分。在同步段之后產(chǎn)生的邊沿與同步段之間的距離稱(chēng)為該邊沿的“相位誤差e”。

傳輸延遲段提供必要的時(shí)間用于處理網(wǎng)絡(luò )中的最大信號傳輸延遲。該時(shí)間段必須兩倍于兩個(gè)節點(diǎn)之間的最大信號傳輸延遲時(shí)間加上發(fā)送和接收節點(diǎn)的內部延遲時(shí)間之和。

需要區分兩種類(lèi)型的同步：幀起始處的“硬同步”和幀中間的“重新同步”。在硬同步之后，位時(shí)間在sync段結束時(shí)重新啟動(dòng)而不考慮相位的誤差。這樣硬同步強制產(chǎn)生硬同步的邊沿延伸到重新啟動(dòng)的位時(shí)間的同步段中。重新同步導致位時(shí)間縮短或延長(cháng)，從而使采樣點(diǎn)產(chǎn)生移位。

通過(guò)標稱(chēng)采樣點(diǎn)之前和之后的相位緩沖段，在重新同步時(shí)為實(shí)際采樣點(diǎn)的移位保留了空閑時(shí)間。同步只發(fā)生在隱性位轉換到顯性位電平的邊沿。通過(guò)在每個(gè)時(shí)間量?jì)葘偩€(xiàn)的實(shí)際電平進(jìn)行采樣并和前一次采樣點(diǎn)的總線(xiàn)電平相比較可檢測出邊沿。如果在同步段內檢測到邊沿，那么該邊沿可實(shí)現同步，否則信號邊沿與同步段的結束之間的距離就是邊沿相位誤差(以時(shí)間量計算)。如果邊沿發(fā)生在同步段之前，相位誤差為負，否則為正。

如果相位誤差為正，相位緩沖段1將被延長(cháng)。每次重新同步時(shí)，相位緩沖段縮短或延長(cháng)的數量(“同步跳轉寬度”，SJW)的最大值受到限制，它可編程為1和Min{4, Phase_Seg1}之間的值。

當信號邊沿相位誤差的數值小于或等于SJW的編程值。硬同步和重新同步的值將是相同的。如果相位誤差的數量大于SJW，重新同步將無(wú)法完全補償相位誤差，這樣誤差(相位誤差-SJW)仍然存在。

在兩次采樣點(diǎn)之間只允許執行一次同步。重新同步維持了邊沿和采樣點(diǎn)之間的最小距離，使總線(xiàn)電平的穩定和濾除尖峰的時(shí)間小于傳輸段和相位段1時(shí)間之和。

一個(gè)位時(shí)間內不同的段可按照下面的限度進(jìn)行編程：

· Sync_Seg： 1 時(shí)間份額

· Prop_Seg1： 1...8或更多 時(shí)間份額

· Phase_Seg1： 1...8或更多 時(shí)間份額

· Phase_Seg2： Max{Phase_Seg1,信息處理時(shí)間}

· 波特率預分頻器： 1...32

· SJW： 1...4 ，但是不大于Min{4, Phase_Seg1}

在同步的時(shí)候，Phase_Seg1可以長(cháng)于編程的標稱(chēng)時(shí)間而Phase_Seg2可以短于標稱(chēng)時(shí)間。

“數據處理時(shí)間”從采樣點(diǎn)之后開(kāi)始，它是用于決定隨后發(fā)送的位電平的時(shí)間(例如，數據位、CRC位、填充位、錯誤標志或空閑)。該時(shí)間不能大于2個(gè)時(shí)間量。其長(cháng)度為Phase_Seg2編程值的下限。在同步時(shí)Phase_Seg2可以小于數據處理時(shí)間，這不會(huì )影響總線(xiàn)的時(shí)序。

每個(gè)位時(shí)間的時(shí)間份額值必須設置為8到25的范圍內。

圖 2 重新同步的原理

圖 2中所示為重新同步的原理。如果發(fā)送器的振蕩器比接收器的慢(a)，用于同步的信號邊沿將延遲到達接收器。接收器可通過(guò)采樣點(diǎn)的移位進(jìn)行補償?？裳a償的最大累積“延遲”(邊沿相位誤差)由相位段1所保留的時(shí)間確定。在重新同步過(guò)程中，如果相位誤差的值小于等于SJW，采樣點(diǎn)則根據所發(fā)生的邊沿相位誤差e進(jìn)行移位，并因此恢復與當前位位置相關(guān)的采樣點(diǎn)的位置。當發(fā)送器的振蕩器比接收器的快時(shí)(b)，信號邊沿的到達比接收器預期的要早，因此下一個(gè)位時(shí)間間隔必須提前啟動(dòng)。這通過(guò)縮短相位緩沖段2來(lái)實(shí)現。這種情況下，同步段被省略了，因此在重新同步之后，從信號邊沿到采樣點(diǎn)之間的距離和同步段到采樣點(diǎn)之間的距離相等(如果沒(méi)有檢測到邊沿)。在第一個(gè)例子中，該“提前”邊沿的相位誤差值小于SJW，因此可以實(shí)現完全補償。

相位緩沖段只是暫時(shí)改變，在下一個(gè)位時(shí)間里如果沒(méi)有檢測到相位誤差，它們將恢復為標稱(chēng)值。接收器希望邊沿出現在同步段當中。

下面是應用于位同步的規則 [ISO99-1]：

· 在一個(gè)位時(shí)間內的兩次采樣點(diǎn)之間只有一次同步。

· 只有在前一個(gè)采樣點(diǎn)檢測到的信號電平與后一個(gè)采樣點(diǎn)的信號電平不同時(shí)，才能使用從隱性到顯性的信號邊沿進(jìn)行同步。短暫的干擾脈沖是不起作用的。

· 只要在總線(xiàn)空閑時(shí)出現一個(gè)隱性到顯性的信號邊沿，就會(huì )執行一個(gè)“硬同步”(新的位時(shí)間間隔的起始)。

· 在幀間空間中(間歇場(chǎng)的第一位除外)隱性到顯性的信號邊沿會(huì )導致執行一個(gè)硬同步。