隔離型CAN收發(fā)器的延時(shí)分析

CAN總線(xiàn)采用了多主競爭式總線(xiàn)結構，采用非破壞性仲裁技術(shù)，當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)傳輸數據時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可不受影響繼續傳輸數據，由于這些節點(diǎn)對每一個(gè)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。

以下通過(guò)實(shí)際例子對總線(xiàn)狀態(tài)進(jìn)行分析。由于實(shí)際組網(wǎng)中，節點(diǎn)之間通過(guò)線(xiàn)纜連接，數據的發(fā)送、接收及傳輸都會(huì )有一定的延時(shí)。CAN系統設計時(shí)，就需要考慮延時(shí)對系統的影響?，F假設一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )，只有A、B兩個(gè)節點(diǎn)，A、B之間的總單向延時(shí)為200ns，即為A到B，或B到A的發(fā)送、傳輸及接收延時(shí)的總和。信號傳輸速率為1Mbps，即位時(shí)間為1000ns。

如圖1所示，節點(diǎn)A在時(shí)間t=0時(shí)開(kāi)始發(fā)送一條消息，從而在總線(xiàn)（2）上傳輸一個(gè)顯性位。有可能出現的情況是，節點(diǎn)B剛好在節點(diǎn)A的信號被接收到以前（3）開(kāi)始發(fā)送，也即時(shí)間t=199ns。當時(shí)間t=1000ns，節點(diǎn)A第二位開(kāi)始之初，在節點(diǎn)A轉到隱性狀態(tài)以前（4）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（6），轉到隱性狀態(tài)。另一個(gè)單向延遲以后，該隱性電平才到達節點(diǎn)A，時(shí)間 t=1399ns（8）。只有在這時(shí)，節點(diǎn)A才能讀取RXD信號，并且可以確定其代表總線(xiàn)的真實(shí)狀態(tài)。

從分析可知，只有通過(guò)兩倍單向延時(shí)，節點(diǎn)A才能夠判別總線(xiàn)的真實(shí)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(gè)位時(shí)間預算范圍內。否則，在第二個(gè)位仲裁完成以前，節點(diǎn)A就可能開(kāi)始傳送其第三個(gè)位。

為保證節點(diǎn)每位采樣到的總線(xiàn)電平都是總線(xiàn)的真實(shí)狀態(tài)，CAN的每一個(gè)位時(shí)間都定義一段時(shí)間，用于補償雙向延時(shí)，即PROP_SEG傳播段?？倐鬏斞訒r(shí)必須小于PROP_SEG的設定時(shí)間，而采樣點(diǎn)在PROP_SEG之后，保證每個(gè)節點(diǎn)在對總線(xiàn)數據采樣以前都確實(shí)等待足夠長(cháng)的時(shí)間，使采樣數據正確。（PROP_SEG為位時(shí)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(guān)的文獻。）

CAN 標準規定，線(xiàn)纜的傳輸延遲為5ns/m，1Mbps信號速率時(shí)最大線(xiàn)纜長(cháng)度為40m。通信速率為1Mbps，即位時(shí)間為1000ns，PROP_SEG設定為650ns時(shí)，由于線(xiàn)纜本身具有200ns的單向延時(shí)（即400ns的雙向延時(shí)），從而使收發(fā)器和相關(guān)電路的總延遲只剩約250ns。也就是說(shuō)，如果CAN底層硬件的傳輸延時(shí)只要小于250ns，線(xiàn)纜長(cháng)度即可達到40m。

CAN 收發(fā)器的制造商通常規定“循環(huán)延時(shí)”，其包括驅動(dòng)器和接收機延遲。由于雙向計算中涉及兩個(gè)收發(fā)器，因此每個(gè)收發(fā)器都應有125ns或者更低的循環(huán)延時(shí)，以支持1Mbps信號速率下40m的總線(xiàn)長(cháng)度。如果收發(fā)器電路包括更多的器件，如隔離、電平轉換或保護組件，這些器件產(chǎn)生的延時(shí)也必須包括在總延時(shí)預算中。

在實(shí)際使用中，為了提高CAN節點(diǎn)的可靠性，CAN底層硬件通常會(huì )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(shí)，而全部雙向信號必須經(jīng)過(guò)4個(gè)光耦，加上單個(gè)TJA1051約120ns的典型循環(huán)路延時(shí)，總的循環(huán)延時(shí)達到480ns。在位時(shí)間配置不變的情況下， 1Mbps速率實(shí)際只能傳輸約17m的距離，這樣大大地縮短了CAN系統的容許線(xiàn)纜長(cháng)度。

而采用圖3所示的隔離方案，單個(gè)CTM1051KT的循環(huán)延時(shí)典型為130ns，與單個(gè)TJA1051的循環(huán)延時(shí)基本一致，在位時(shí)間配置不變的情況下，CTM1051KT自帶隔離基本不會(huì )對容許線(xiàn)纜長(cháng)度造成影響，完全滿(mǎn)足1Mbps速率下約40m的傳輸距離。

若想從硬件底層著(zhù)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(xiàn)傳輸的原理，盡量減小CAN信號傳輸的延時(shí)時(shí)間，從而提高實(shí)際通信的距離。