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(huì)遇到信號(hào)傳輸延遲的問(wèn)題困擾。本文將針對(duì)傳輸延遲問(wèn)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(shí)時(shí)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，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(jí)和CAN節(jié)點(diǎn)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(duì)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(shí)可以提升數(shù)據(jù)段的波特率，以縮短通訊時(shí)間。

在一些行業(yè)中，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，例如CAN通信在軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，如果CAN-bus總線通訊出現(xiàn)了延遲，會(huì)嚴(yán)重影響軌道交通安全，造成列車運(yùn)行癱瘓，甚至危及人身安全。那么，如何評(píng)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(wěn)定呢？接下來(lái)，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(jī)制。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文時(shí)，在發(fā)完CRC校驗(yàn)場(chǎng)之后，會(huì)發(fā)出長(zhǎng)度為2個(gè)位的ACK段，如圖1所示。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)正確接收到有效報(bào)文時(shí)，就會(huì)在應(yīng)答間隙（ACK SLOT）向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“顯性”位來(lái)作為回應(yīng)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線呈現(xiàn)顯性狀態(tài)，便認(rèn)為成功發(fā)送報(bào)文。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒(méi)有檢測(cè)到有效的顯性位，則認(rèn)為總線錯(cuò)誤。所以，CAN FD信號(hào)延遲的最大時(shí)限是確保發(fā)送節(jié)點(diǎn)在應(yīng)答間隙內(nèi)接收到有效的應(yīng)答信號(hào)。

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(shí)，應(yīng)保證在750ns內(nèi)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠采集到接收節(jié)點(diǎn)發(fā)出的顯性位，否則會(huì)出現(xiàn)總線錯(cuò)誤。即，延時(shí)總和時(shí)間≤位時(shí)間x采樣點(diǎn)百分比。

工程師們?cè)陂_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)CAN底層硬件時(shí)，需要結(jié)合應(yīng)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(píng)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(dǎo)致的錯(cuò)誤波形。

圖2 傳輸延遲錯(cuò)誤

由于ACK界定符被前面的應(yīng)答場(chǎng)嚴(yán)重壓縮，導(dǎo)致被某個(gè)節(jié)點(diǎn)識(shí)別為顯性（原本是隱性），所以這個(gè)識(shí)別錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)后面發(fā)出了錯(cuò)誤幀，進(jìn)行全局通知，讓發(fā)送節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送。

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

圖3  CANScope傳輸延遲測(cè)量功能

通過(guò)延時(shí)上限可以了解到，我們需要嚴(yán)格的控制總線上各個(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(nèi)。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(jié)點(diǎn)之間通信過(guò)程中，CAN FD報(bào)文首先從節(jié)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)送到總線上，再通過(guò)一段距離的傳輸依次達(dá)到節(jié)點(diǎn)B的CAN FD收發(fā)器、隔離器件，CAN FD控制器，最后又節(jié)點(diǎn)B發(fā)出ACK顯性應(yīng)答位，重復(fù)上述過(guò)程到達(dá)節(jié)點(diǎn)A。很明顯，整個(gè)過(guò)程中，會(huì)影響信號(hào)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)、線纜傳播。

圖4總線節(jié)點(diǎn)通訊結(jié)構(gòu)

CAN FD控制器造成的延時(shí)可以從兩方面分析：

l  軟件延時(shí)：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(fèi)的時(shí)間；

l  控制器延時(shí)：CAN FD控制器實(shí)現(xiàn)串行化信息所耗費(fèi)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(jí)以下，可以忽略不計(jì)。

為了增加信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，通常都?huì)在CAN FD底層硬件設(shè)計(jì)中添加隔離設(shè)計(jì)。隔離器件的添加，帶來(lái)一定的延時(shí)并影響CANFD系統(tǒng)容許的線纜長(zhǎng)度。不同的隔離方式，延時(shí)效果也不同。