CAN-bus總線(xiàn)信號傳輸延時(shí)分析及解決方案

由于CAN-bus總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性強、抗干擾能力強等特點(diǎn)，在軌道交通、汽車(chē)電子等行業(yè)得到廣泛的應用。伴隨著(zhù)技術(shù)的升級和CAN節點(diǎn)的增加，CAN協(xié)議提供的8字節數據傳輸以及最高1Mbps的波特率已經(jīng)不能滿(mǎn)足工程師的應用需求。針對此現象，CiA協(xié)議聯(lián)合各大車(chē)廠(chǎng)，制定出新一代的CAN FD協(xié)議，其主要的內容就是將一幀的數據段由8字節提升到64字節，同時(shí)可以提升數據段的波特率，以縮短通訊時(shí)間。

在一些行業(yè)中，對實(shí)時(shí)性要求很高，例如CAN通信在軌道交通制動(dòng)系統中的應用，如果CAN-bus總線(xiàn)通訊出現了延遲，會(huì )嚴重影響軌道交通安全，造成列車(chē)運行癱瘓，甚至危及人身安全。那么，如何評估CAN網(wǎng)絡(luò )延時(shí)情況以及如何降低CAN/CAN FD通訊延遲，保證通訊穩定呢？接下來(lái)，做詳細介紹。

1.1      CAN/CAN FD網(wǎng)絡(luò )信號延時(shí)上限

CAN-bus總線(xiàn)采用多主通信模式、非破壞式總線(xiàn)仲裁機制。發(fā)送節點(diǎn)在發(fā)送報文時(shí)，在發(fā)完CRC校驗場(chǎng)之后，會(huì )發(fā)出長(cháng)度為2個(gè)位的ACK段，如圖1所示。當接收節點(diǎn)正確接收到有效報文時(shí)，就會(huì )在應答間隙（ACK SLOT）向發(fā)送節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“顯性”位來(lái)作為回應。發(fā)送節點(diǎn)檢測到總線(xiàn)呈現顯性狀態(tài)，便認為成功發(fā)送報文。如果發(fā)送節點(diǎn)沒(méi)有檢測到有效的顯性位，則認為總線(xiàn)錯誤。所以，CAN FD信號延遲的最大時(shí)限是確保發(fā)送節點(diǎn)在應答間隙內接收到有效的應答信號。

圖 1  ACK應答

以1Mbit/s波特率為例，在單次采樣模式下，當采樣率為75%時(shí)，應保證在750ns內，發(fā)送節點(diǎn)能夠采集到接收節點(diǎn)發(fā)出的顯性位，否則會(huì )出現總線(xiàn)錯誤。即，延時(shí)總和時(shí)間≤位時(shí)間x采樣點(diǎn)百分比。

1.2      如何快速評估CAN網(wǎng)絡(luò )延時(shí)情況？

工程師們在開(kāi)發(fā)設計CAN底層硬件時(shí)，需要結合應用場(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，由于傳輸延遲導致的錯誤波形。

圖 2  傳輸延遲錯誤

由于 ACK 界定符被前面的應答場(chǎng)嚴重壓縮，導致被某個(gè)節點(diǎn)識別為顯性（原本是隱性），所以這個(gè)識別錯誤的節點(diǎn)后面發(fā)出了錯誤幀，進(jìn)行全局通知，讓發(fā)送節點(diǎn)重新發(fā)送。

CANScope分析儀可以提供傳輸延遲測量的功能，可以進(jìn)行單幀的延遲測量，也可以進(jìn)行所有波形的延時(shí)統計。如圖3所示，可以通過(guò)延遲測量出導線(xiàn)的等效長(cháng)度，即最大延遲÷5ns/m，并給出該波特率下最長(cháng)等效傳輸距離。

圖 3  CANScope傳輸延遲測量功能

1.3      CAN/CAN FD信號延時(shí)分析

通過(guò)延時(shí)上限可以了解到，我們需要嚴格的控制總線(xiàn)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。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 )上兩節點(diǎn)之間通信過(guò)程中，CAN FD報文首先從節點(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(xiàn)上，再通過(guò)一段距離的傳輸依次達到節點(diǎn)B的CAN FD收發(fā)器、隔離器件，CAN FD控制器，最后又節點(diǎn)B發(fā)出ACK顯性應答位，重復上述過(guò)程到達節點(diǎn)A。很明顯，整個(gè)過(guò)程中，會(huì )影響信號傳輸延遲的因素有：CAN FD控制器、隔離方式、收發(fā)器循環(huán)延時(shí)、線(xiàn)纜傳播。

圖 4 總線(xiàn)節點(diǎn)通訊結構

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)：在應用進(jìn)程中，主CPU將數據從CAN FD控制器中讀寫(xiě)耗費的時(shí)間；

●   控制器延時(shí)：CAN FD控制器實(shí)現串行化信息所耗費的時(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)在納秒級以下，可以忽略不計。

2．   隔離方式造成的延時(shí)

為了增加信號傳輸的可靠性，通常都會(huì )在CAN FD底層硬件設計中添加隔離設計。隔離器件的添加，帶來(lái)一定的延時(shí)并影響CANFD系統容許的線(xiàn)纜長(cháng)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，加上全部信號雙向傳輸會(huì )造成240ns延時(shí)。

圖 5  光耦+CAN收發(fā)器

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(xiàn)容許通信線(xiàn)纜長(cháng)度。

圖 6  CAN FD 隔離收發(fā)器

3．   收發(fā)器循環(huán)延時(shí)

循環(huán)延時(shí)指TXD引腳信號變化導致至RXD引腳信號變化的時(shí)間差。如圖7所示，可以測試TXD和RXD之間的循環(huán)延時(shí)。

圖 7  收發(fā)器循環(huán)延時(shí)測量

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)最大可達幾百納秒。 CAN FD收發(fā)器延時(shí)是CAN總線(xiàn)規范必測項目，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(xiàn)傳輸距離。

4．   線(xiàn)纜傳播延時(shí)

線(xiàn)纜是CAN-bus總線(xiàn)傳輸的重要介質(zhì)，其長(cháng)度也是影響通訊延時(shí)的重要原因。不同類(lèi)型的線(xiàn)纜會(huì )造成不同的延時(shí)效果。通常情況下，導線(xiàn)延時(shí)為5ns/m，建議選擇較粗的導線(xiàn)，線(xiàn)徑越大，延遲越小，或者可以使用鍍金、鍍銀的線(xiàn)纜（鍍金的0.2平方毫米線(xiàn)相當于1.0平方毫米的銅線(xiàn)）。線(xiàn)徑過(guò)小，其導線(xiàn)阻值過(guò)大，影響傳輸速率造成延遲。線(xiàn)纜的延時(shí)越小，CAN總線(xiàn)傳輸的距離越遠。

綜合上述介紹，我們可以總結出以下解決信號延遲的方案：

●   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)；

●   使用標準線(xiàn)纜，禁止使用電話(huà)線(xiàn)、網(wǎng)線(xiàn)等線(xiàn)徑較小的線(xiàn)纜，必要時(shí)可選擇較好材質(zhì)的導線(xiàn)；

●   波特率一定時(shí)，傳輸距離過(guò)大，可以添加CAN FD網(wǎng)橋，降低導線(xiàn)傳輸延時(shí)。

1.4      CAN/CANFD轉CAN/CANFD網(wǎng)橋

如圖8所示，CANFDBridge是廣州致遠電子有限公司開(kāi)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標準CANFD與Bosch CANFD標準。每個(gè)接口具備獨立的2500VDC電氣隔離保護電路，使接口卡避免由于地環(huán)流的損壞，增強系統在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

CANFDBridge支持 CAN 轉 CAN、CAN 轉CANFD、CANFD轉 CAN、CANFD轉CANFD 等報文默認轉換處理。除此之外，還提供幀映射、合并和拆分等特殊轉換處理。用戶(hù)可自由設定 CAN(FD)報文的轉發(fā)映射、組包拆包等規則，滿(mǎn)足自身應用需求。

圖 8  CAN FD網(wǎng)橋

1.5      CANScope總線(xiàn)綜合分析儀系列

如圖9所示，CANScope總線(xiàn)綜合分析儀是一款綜合性的CAN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)與測試的專(zhuān)業(yè)工具，集海量存儲示波器、網(wǎng)絡(luò )分析儀、誤碼率分析儀、協(xié)議分析儀及可靠性測試工具于一身，并把各種儀器有機的整合和關(guān)聯(lián)；重新定義CAN總線(xiàn)的開(kāi)發(fā)測試方法，可對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估；幫助用戶(hù)快速定位故障節點(diǎn)，解決CAN總線(xiàn)應用的各種問(wèn)題。

圖 9  CANScope分析儀