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CAN(Controller Area Network)是有效支持分布式實時控制的串行通訊網絡。從位定時的同步方式考慮，它實質上屬于異步通訊協議，每傳輸一幀，以幀起始位開始，而以幀結束及隨后的間歇場結束。這就要求收/發雙方從幀起始位開始必須保持幀內信息代碼中的每一位嚴格的同步。從位定時編碼考慮，它采用的是非歸零編碼方式，位流傳輸不像差分碼那樣可以直接用電平的變化來代表同步信號，因此為保證同步質量，CAN協議定義了自己的位同步方式：硬同步和重同步。 目前相關文獻均缺乏對CAN總線位定時與同步機制的詳細分析。本文深入分析了CAN總線位周期的結構以及CAN的兩種位同步方式 （硬同步和重同步），并明確給出了重同步時重同步跳轉寬度和相位差補償的關系，對于指導位定時參數的設置有較好的參考價值。 位周期結構 網絡的標準位速率，其中就是額定位時間（也稱標準位周期）。如圖1所示，CAN總線的額定位時間是由4部分組成的：同步段（SYNC_SEG），傳播段（PROP_SEG），相位緩沖段1（PSEG1）和相位緩沖段2（PSEG2）。所以額定的為時間 ，位周期中的這些段都是可以編程設置的，且都可以用整數個基本時間單位（時間份額）來表示。這個基本時間單位由振蕩器分頻而得的 ，（BRP為波特率預分頻因子，也可以編程設置）。 圖1 CAN總線額定位時間的結構 同步段是CAN總線位周期中每一位的起始部分。不管是發送節點發送一位還是接收節點接收一位都是從同步段開始的。但是由于發送節點和接收節點之間存在網絡傳輸延遲以及物理接口延遲，發送節點發送一位之后，接收節點延遲一段時間才能接收到，因此，發送節點和接收節點對應同一位的同步段起始時刻就有一定的時延，記為。 傳播延時段的設置就是要補償該段時延（）的。CAN總線協議中的非破壞性仲裁機制以及幀內應答機制，都要求那些正在發送位流的發送節點能夠同時接收來自其他發送節點的“顯性位”（邏輯0），否則就會使得仲裁無效或者應答錯誤。傳播延遲段推遲那些可能較早采樣總線位流的節點的采樣點，保證由各個發送節點發送的位流到達總線上的所有節點之后才開始采樣。 重同步跳轉寬度SJW并不是位周期里的一段，卻是位定時計算時的一個重要的指標，它定義了重同步時為補償相位誤差位時間中相位緩沖段1或者相位緩沖段2被增長或縮短的最大基本時間單元數。同步機制 CAN總線的位同步只有在節點檢測到“隱性位”（邏輯1）到“顯性位”（邏輯0）的跳變時才會產生，當跳變沿不位于位周期的同步段之內時將會產生相位誤差。該相位誤差就是跳變沿與同步段結束位置之間的距離。如果跳變沿發生在同步段之后采樣點之前為正的相位誤差；如果跳變沿位于同步段之前采樣點之后為負的相位誤差。相位誤差源于節點的振蕩器漂移，網絡節點之間的傳播延遲以及噪聲干擾等。CAN協議規定了兩種類型的同步：硬同步和重同步。 硬同步 硬同步只在總線空閑時通過一個下降沿（幀起始）來完成，此時不管有沒有相位誤差，所有節點的位時間重新開始。強迫引起硬同步的跳變沿位于重新開始的位時間的同步段之內。 重同步 在消息幀的隨后位中，每當有從“隱性位”到“顯性位”的跳變，并且該跳變落在了同步段之外，就會引起一次重同步。重同步機制可以根據跳變沿增長或者縮短位時間以調整采樣點的位置，保證正確采樣。 如圖2，跳變沿落在了同步段之后采樣點之前，為正的相位誤差，接收器會認為這是一個慢速發送器發送的滯后邊沿。此時節點為了匹配發送器的時間，會增長自己的相位緩沖段1（陰影部分）。增長的時間為相位差的絕對值，但是上限是重同步跳轉寬度SJW。 如圖3，跳變沿落在了采樣點之后同步段之前，為負的相位誤差，接收器把它解釋為一個快速發送器發送的下一個位周期的提前邊沿。同樣節點為了匹配發送器的時間，會縮短自己的相位緩沖段2（陰影部分），下一個位時間立即開始。縮短的時間也為相位差的絕對值，上限是重同步跳轉寬度SJW。 圖3 負相位誤差時的重同步 相位緩沖段只在當前位周期內被增長或者縮短，接下來的位周期，只要沒有重同步，各段將恢復為位時間的編程預設值。 當相位差的絕對值小于或者等于重同步跳轉寬度SJW時，重同步和硬同步的效果是相同的，能實現相位差的補償；但是如果相位差的絕對值比重同步跳轉寬度大，由于補償的最大值是重同步跳轉寬度，致使重同步不能完全補償相位差。 CAN協議的位填充機制除實現仲裁場、控制場、數據場和CRC序列的數據的透明性外，還增加了從“隱性位”到“顯性位”跳變的機會，也就是增多重同步的數量，提高同步質量。在沒有出錯影響的情況下，位填充原則保證了兩次重同步跳轉邊沿之間不會多于10個位周期（即5個顯性位，5個隱性位），而實際的系統會有錯誤發生，使得實際的兩次重同步跳轉邊沿之間的間隔可能為17到23個位時間（活動錯誤標志及其疊加6到12個位時間，錯誤界定符8個位時間，間歇場3個位時間）。 結語 在實際的系統設計中，用戶可以根據振蕩器時鐘頻率，總線波特率以及總線的最大傳輸距離等因素，對CAN控制器的位定時參數進行優化設置，協調影響位定時設置的兩個主要因素：振蕩器容差和最大總線長度，合理安排位周期中采樣點的位置和采樣次數，保證總線上位流的有效同步的同時，優化系統的通訊性能，進一步推進CAN總線的廣泛應用。 |
