CAN总线位定时和同步的研究与设计

引 言

控制器局域网CAN是一种用于连接汽车和工业场合中电子控制模块、传感器和执行器的串行、多主通信规范。由于CAN总线具有很强的纠错能力、支持差分收发、传输距离远等特点，因此CAN总线用途非常广泛，现已成为工业数据通信领域的主流技术、基础技术，目前比较流行的TTCan，DeviceNet，CANo-pen，SAE J1939等规范均是以CAN为基础的，因此对CAN总线的深入研究是十分必要的。在CAN规范中，位定时和同步机制是既重要又难于理解的环节之一，它不仅关系到对波特率、总线长度等相关内容的理解，甚至对节点开发的成功与否产生直接的影响。然而，目前相关文献均缺乏针对CAN总线位定时和同步机制的详细分析和探讨。在此以CAN技术规范为基础，深入分析CAN总线的位定时和同步机制，给出硬同步和重同步的定义，并给出相应的图解解释方式，对位时间的组成与结构、同步的发生时刻、同步是如何进行的等关键内容给出了明确而又具体的分析。这里的工作对理解位定时和同步机制的本质、指导位时间参数的设置均具有较高的参考价值。

1 位定时

1．1 位时间的组成

位时间(位周期)tB即1位的持续时间。正常位时间tNBT是正常位速率fNBT(在非重同步的情况下，借助理想发送器每秒发送的位数)的倒数，即tNBT=1／fNBT。正常位时间可划分为几个互不重叠的时间段，这些时间段包括：同步段(SYNC-SEG)、传播时间段(PROP-SEG)、相位缓冲器段1(PHASE-SEG1)、相位缓冲器段2(PHASE-SEG2)。每个时间段由整数个被称为时间份额tQ的基本时间单位组成。tQ是由振荡器周期tCLK派生出的一个固定时间单元。一个时间份额的持续时间通常便是CAN的一个系统时钟周期tSCL。tSCL可通过可编程的预引比例因子进行调整。每个位时间必须由8～25个时间份额组成。位时间的组成如图1所示。

位时间的各个时间段均有其特定的用途：
(1)同步段用于使总线上的各个节点同步，要求有1个跳变沿位于此段内，该段长度为1个时间份额；
(2)传播时间段用于补偿网络内的物理延时，它是信号在总线上传播时间、输入比较器延时和输出驱动器延时之和的2倍，该段长度为1～8个时间份额；
(3)相位缓冲器段1和相位缓冲器段2用于补偿沿的相位误差，通过重同步，相位缓冲器段1可被延长或相位缓冲器段2可被缩短。
这些时间段的长度均是可编程的。在常用的通信控制器(SJA1000)或PAC82C200中，合并传播时间段和相位缓冲器段1，称为时间段1(TSEGl)，相位缓冲器段2称为时间段2(TSEG2)，如图1所示。

采样点是这样一个时刻：在此时刻上，总线电平被读取并被理解为其自身的数值。它位于相位缓冲器段1的终点。在重同步期间，采样点的位置被移动整数个时间份额，该时间份额被允许的最大值称为重同步跳转宽度(SJW)，它可被编程为1～4个时间份额。值得注意的是，重同步跳转宽度并不是位时间的组成部分。

1．2 位定时的作用

位定时是由节点自身完成的(可编程)，节点进行位定时的作用为：
(1)确定位时间，以便确定波特率(位速率)，从而确定总线的网络速度；或在给定总线的网络速度的情况下确定位时间；
(2)确定1位的各个组成部分--同步段、传播时间段、相位缓冲器段1和相位缓冲器段2的时间长度，其中同步段用于硬同步，位于相位缓冲器段1终点的采样点用于保证正确地读取总线电平；
(3)确定重同步跳转宽度以用于重同步。

2 CAN总线同步机制分析

CAN规范定义了自己独有的同步方式：硬同步和重同步。同步与位定时密切相关。同步是由节点自身完成的，节点将检测到来自总线的沿与其自身的位定时相比较，并通过硬同步或重同步适配(调整)位定时。在一般情况下，引起硬同步和重同步发生的、来自总线的沿如图2所示。

2．1 硬同步

CAN技术规范给出了硬同步和重同步的结果，但没有给出硬同步和重同步的定义。这里首先给出硬同步和重同步的定义，然后对其进行分析。

所谓硬同步，就是由节点检测到的，来自总线的沿强迫节点立即确定出其内部位时间的起始位置(同步段的起始时刻)。硬同步的结果是，沿到来时刻的前一时刻(以时间份额tQ量度)，即成为节点内部位时间同步段的起始时刻，并使内部位时间从同步段重新开始。这就是规范中所说的"硬同步强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同步段之内"。硬同步一般用于帧的开始，即总线上的各个节点的内部位时间的起始位置(同步段)是由来自总线的一个报文帧的帧起始的前沿决定的。

同步段的时间长度为1个时间份额。如图3所示．来自总线的引起硬同步的沿在t1时刻到来，则节点检测到该沿。将t1时刻的前一时刻t0(以tQ为周期)作为内部位时间同步段的起始时刻。