摘要：CAN-bus總線在軌道交通、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但工程師們經(jīng)常會遇到信號傳輸延遲的問題困擾。本文將針對傳輸延遲問題，進(jìn)行詳細(xì)分析，并給出一些可行的解決方案。
由于CAN-bus總線的實時性強、抗干擾能力強等特點，在軌道交通、汽車電子等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著技術(shù)的升級和CAN節(jié)點的增加，CAN協(xié)議提供的8字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸以及最高1Mbps的波特率已經(jīng)不能滿足工程師的應(yīng)用需求。針對此現(xiàn)象，CiA協(xié)議聯(lián)合各大車廠，制定出新一代的CAN FD協(xié)議，其主要的內(nèi)容就是將一幀的數(shù)據(jù)段由8字節(jié)提升到64字節(jié)，同時可以提升數(shù)據(jù)段的波特率，以縮短通訊時間。
在一些行業(yè)中，對實時性要求很高，例如CAN通信在軌道交通制動系統(tǒng)中的應(yīng)用，如果CAN-bus總線通訊出現(xiàn)了延遲，會嚴(yán)重影響軌道交通安全，造成列車運行癱瘓，甚至危及人身安全。那么，如何評估CAN網(wǎng)絡(luò)延時情況以及如何降低CAN/CAN FD通訊延遲，保證通訊穩(wěn)定呢？接下來，做詳細(xì)介紹。
CAN-bus總線采用多主通信模式、非破壞式總線仲裁機制。發(fā)送節(jié)點在發(fā)送報文時，在發(fā)完CRC校驗場之后，會發(fā)出長度為2個位的ACK段，如圖1所示。當(dāng)接收節(jié)點正確接收到有效報文時，就會在應(yīng)答間隙（ACK SLOT）向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個“顯性”位來作為回應(yīng)。發(fā)送節(jié)點檢測到總線呈現(xiàn)顯性狀態(tài)，便認(rèn)為成功發(fā)送報文。如果發(fā)送節(jié)點沒有檢測到有效的顯性位，則認(rèn)為總線錯誤。所以，CAN FD信號延遲的最大時限是確保發(fā)送節(jié)點在應(yīng)答間隙內(nèi)接收到有效的應(yīng)答信號。
圖1 ACK應(yīng)答
以1Mbit/s波特率為例，在單次采樣模式下，當(dāng)采樣率為75%時，應(yīng)保證在750ns內(nèi)，發(fā)送節(jié)點能夠采集到接收節(jié)點發(fā)出的顯性位，否則會出現(xiàn)總線錯誤。即，延時總和時間≤位時間x采樣點百分比。
工程師們在開發(fā)設(shè)計CAN底層硬件時，需要結(jié)合應(yīng)用場景充分考慮延遲帶來的影響。那么，工程師如何快速評估CAN網(wǎng)絡(luò)的延時情況？如圖2所示，是CANScope分析儀抓取的，由于傳輸延遲導(dǎo)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(yīng)答場嚴(yán)重壓縮，導(dǎo)致被某個節(jié)點識別為顯性（原本是隱性），所以這個識別錯誤的節(jié)點后面發(fā)出了錯誤幀，進(jìn)行全局通知，讓發(fā)送節(jié)點重新發(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)行所有波形的延時統(tǒng)計。如圖3所示，可以通過延遲測量出導(dǎo)線的等效長度，即最大延遲÷5ns/m，并給出該波特率下最長等效傳輸距離。
圖3 CANScope傳輸延遲測量功能
通過延時上限可以了解到，我們需要嚴(yán)格的控制總線上各個部分造成的延時時間，確保延時時間總和在一定范圍內(nèi)。接下來，以CAN FD為例，了解一下造成延時的具體原因。
如圖4所示，CAN FD網(wǎng)絡(luò)上兩節(jié)點之間通信過程中，CAN FD報文首先從節(jié)點A控制器發(fā)出，經(jīng)過隔離器件、CAN FD收發(fā)器發(fā)送到總線上，再通過一段距離的傳輸依次達(dá)到節(jié)點B的CAN FD收發(fā)器、隔離器件，CAN FD控制器，最后又節(jié)點B發(fā)出ACK顯性應(yīng)答位，重復(fù)上述過程到達(dá)節(jié)點A。很明顯，整個過程中，會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、線纜傳播。
圖4總線節(jié)點通訊結(jié)構(gòu)
CAN FD控制器造成的延時可以從兩方面分析：
l 軟件延時：在應(yīng)用進(jìn)程中，主CPU將數(shù)據(jù)從CAN FD控制器中讀寫耗費的時間；
l 控制器延時：CAN FD控制器實現(xiàn)串行化信息所耗費的時間。
這個過程中與主控制器、CAN FD控制器、接口芯片等有關(guān)，通常情況下，延時在納秒級以下，可以忽略不計。
為了增加信號傳輸?shù)目煽啃裕ǔ６紩贑AN FD底層硬件設(shè)計中添加隔離設(shè)計。隔離器件的添加，帶來一定的延時并影響CANFD系統(tǒng)容許的線纜長度。不同的隔離方式，延時效果也不同。
