1 引言

　　CAN 是 Controller Area Network 的縮寫，是 ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、 電梯等方面。 現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN總線協(xié)議是一種現(xiàn)場總線協(xié)議，它實現(xiàn)了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。因為現(xiàn)場總線通常只包括一個網(wǎng)段，因此不需要第3層(傳輸層)和第4層(網(wǎng)絡(luò)層)，也不需要第5層(會話層)第6層(描述層)的作用。 其中第2層是CAN協(xié)議，第7層是應(yīng)用層協(xié)議。CAN協(xié)議含有較強(qiáng)的糾錯能力，在數(shù)據(jù)鏈路上保障傳輸?shù)目煽啃裕@就節(jié)省了應(yīng)用層上在這方面的

　　開銷。

　　CAN 總線特點(diǎn)有：(1)數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個節(jié)點(diǎn)可以向任何其他(一個或多個)節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，依據(jù)各個節(jié)點(diǎn)信息優(yōu)先級先后順序來決定通信次序; (2) 多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)起通信時， 優(yōu)先級低的避讓優(yōu)先級高的，不會對通信線路造成擁塞;(3) 通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10Km(速率低于5Kbps)速率可達(dá)到 1Mbps(通信距離小于40m);(4) CAN 總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、 同軸電纜或者光纖。 CAN 總線適用于下列場合：大數(shù)據(jù)量短距離通信、小數(shù)據(jù)量長距離通信、實時性要求比較高、 多主多從或者各個節(jié)點(diǎn)平等的場合。

　　CAN總線采樣點(diǎn)，顧名思義是讀取CAN總線電平并解析的時刻，對CAN總線通信至關(guān)重要，特別是CAN組網(wǎng)模式下，CAN網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都需盡量設(shè)置成統(tǒng)一的采樣點(diǎn)，且根據(jù)通訊距離和傳輸速率采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的采樣點(diǎn)數(shù)值，若采樣點(diǎn)相差較大，同一個網(wǎng)絡(luò)中的CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互可能會失敗。

　　2 CAN總線采樣點(diǎn)的規(guī)則和原理

　　CAN 協(xié)議里將一個位時間分為同步段、傳播段、相位緩沖段 1 和相位緩沖段 2。這些段又由稱之為Time Quantum(以下稱為Tq)的最小時間單位構(gòu)成。1位由多少個Tq構(gòu)成和每個段由多少個Tq構(gòu)成等是可以設(shè)定的。通過設(shè)置點(diǎn)位時序，使得可以設(shè)定一個采樣點(diǎn)以使總線上多個單元可同時采樣，所謂采樣點(diǎn)就是在這一時刻總線上的電平被鎖存，這個鎖存的電平作為位的值。采樣點(diǎn)的位置在相位緩沖段1(PBS1)的結(jié)束處，如圖1所示。

圖 1 CAN 位時間結(jié)構(gòu)圖

　　其中同步段(SS)負(fù)責(zé)多個連接在總線上的單元通過此段實現(xiàn)時序調(diào)整，同步進(jìn)行接收和發(fā)送工作，邊沿包含在此段中;傳播時間段(PTS)用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)上所有的物理延遲;相位緩沖段1(PBS1)和相位緩沖段2(PBS2)用于當(dāng)信號邊沿不能被包含于同步段中時，可在此段進(jìn)行補(bǔ)償;采樣點(diǎn)即為讀取并解釋總線上各位值的一個時間點(diǎn)，它是讀取總線電平，并將讀到的電平作為位值的點(diǎn)，所以從一個位的開始到采樣點(diǎn)的時間占一個完整位的總時間的百分比就是所求的采樣點(diǎn)的值，公式計算由采樣點(diǎn)=(1+TSEG1)/(1+TSEG1+TSEG2)確定。采樣點(diǎn)對CAN總線來說非常重要，在組網(wǎng)的時候，多個節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量保持

　　同一個采樣點(diǎn)，且最好在不超過7/8位時間點(diǎn)上，常用頻率的推薦采樣點(diǎn)如表1所示。

　　關(guān)于采樣點(diǎn)的計算：采樣點(diǎn)=(1+TSEG1)/(1+TSEG1+TSEG2)。

　　假設(shè)晶振時鐘頻率16M， SJW為1個Tq， TSEG1 為13個Tq， TSEG2為2個Tq，則采樣點(diǎn)計算帶入上面的公式，采樣點(diǎn)=(1+13)/(1+13+2)=87.5%。

　　建議盡可能的把采樣點(diǎn)設(shè)置為 CiA 推薦的值：

　　當(dāng)波特率 > 800Kpbs時，采樣點(diǎn)建議采用75%;

　　當(dāng)波特率 > 500Kbps時，采樣點(diǎn)建議采用80%;

　　當(dāng)波特率 <= 500Kbps時，采樣點(diǎn)建議采用87.5% 。

表 1 常用頻率采樣點(diǎn)推薦值

　　3 CAN總線采樣點(diǎn)對傳輸距離影響分析

　　CAN收發(fā)器的改良和隔離器件引入，大大提高了通信的可靠性，但同時也引入了額外的延時，導(dǎo)致通信距離變短，或總線錯誤幀增加，以1Mbps波特率下的應(yīng)用為例，對CAN總線信號延時做簡要分析，CAN總線傳輸距離的相關(guān)因素有：

　　(1)ACK應(yīng)答

　　CAN 總線采用多主通信模式、非破壞式總線仲裁機(jī)制。以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)椐幀為例，從結(jié)構(gòu)上看分成7段，分別為起始段、仲裁段、控制段、數(shù)椐段、CRC校驗段、ACK應(yīng)答段、幀結(jié)束段。ACK段長度為2個位，包含應(yīng)答間隙(ACK SLOT)和應(yīng)答界定符(ACK DELIMITER)。

　　在應(yīng)答場里，發(fā)送端發(fā)送兩個“隱性”位。當(dāng)接收器正確地接收到有效的報文，接收器就會在應(yīng)答間隙(ACK SLOT)期間(發(fā)送ACK信號)向發(fā)送器發(fā)送一顯性的位以示應(yīng)答。發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)線與結(jié)果檢測到總線呈顯式狀態(tài)時，就認(rèn)為有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有效的應(yīng)答并且自己所發(fā)出的幀是正常的。

　　(2)CAN總線位時間組成

　　CAN 總線通信中每一位的時間由4 部分組成，即同步段、傳播段、相位緩沖段1、相位緩沖段2。同步段用于總線諸節(jié)點(diǎn)之間的同步，時間段1由傳播段與相位段1組成，傳播段用于補(bǔ)償信號的物理傳播延時，時間段2即相位緩沖段2，相位段1 和相位段2 用于補(bǔ)償沿的相位誤差。在實際控制器設(shè)計中，通過調(diào)整時間段1、時間段2的值可以改變對總線傳播延時的補(bǔ)償時間。

　　(3)CAN總線延時理論分析

　　發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)完CRC 場之后，會發(fā)出一位應(yīng)答隙，在這一位的時間內(nèi)，接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)該輸出顯式位作為回應(yīng)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)如果在應(yīng)答隙內(nèi)沒有檢測到有效的顯式位，則會判定總線錯誤，所以限制CAN 總線系統(tǒng)信號傳播延時上限的根本條件就是必須確保發(fā)送節(jié)點(diǎn)在應(yīng)答隙內(nèi)接收到有效的應(yīng)答信號。滿足這一根本條件，以 1 Mbit/s 波特率，單點(diǎn)采樣模式為例，依據(jù)采樣點(diǎn)在設(shè)置同步段、時間段1、時間段2 內(nèi)的前后變化，當(dāng)設(shè)置為75%位寬度時(即采樣點(diǎn)位于距位起始的75%位寬度，為750 ns)，在應(yīng)答隙要使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)采集到有效的顯式位，理論上來講，必須滿足整個信號傳播延時小于750 ns。即隔離器件、總線驅(qū)動器、線纜等的延時總和小于750ns才能保證應(yīng)答有效，即確保所有的延時總小于等于位時間程序采樣點(diǎn)位置百分比。

圖 2 CAN 總線信號傳輸延時

　　(4)CAN總線延時分析

　　CAN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)之間通信的傳播延時如圖2所示，t2、t5為收發(fā)器循環(huán)延時、t3、t6為隔離延時、t4、t7為CAN控制器處理延時，t1 為線纜傳輸延時。

　　以節(jié)點(diǎn)A發(fā)送，節(jié)點(diǎn)B接收為例，從CAN報文發(fā)出開始，到接收到ACK應(yīng)答，整個應(yīng)答回路延時為T總 =(t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7)*2，期間報文經(jīng)過了4次隔離及收發(fā)器，兩次線纜，若想提高傳輸距離，需對各個環(huán)

　　節(jié)的延時時間進(jìn)行分析。

　　對于CAN收發(fā)器，是指從TXD輸入的數(shù)字流被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬總線信號，同時總線收發(fā)器監(jiān)控總線，將模擬總線信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字位流從RXD輸出的過程。CAN 收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“循環(huán)延時”，其包括驅(qū)動器和接收機(jī)延遲。延時時間的大小是有收發(fā)器自身特性決定，以收發(fā)器TJA1051為例，從數(shù)據(jù)手冊中可以看出，其最大傳播延時為220 ns，最小傳播延時為40 ns。收發(fā)器循環(huán)延時是CAN總線規(guī)范必測的項目，選取性能較高的收發(fā)器，可減少傳輸延時，有利于增加傳輸距離。

　　為了提高CAN節(jié)點(diǎn)的可靠性，CAN底層硬件通常會使用隔離設(shè)計。常用解決方案有采用光耦+CAN收發(fā)器，比如光耦6N137和CAN收發(fā)器TJA1051，光耦6N137具有典型的60ns單向延時，而全部雙向信號必須經(jīng)過4個光耦，總隔離延時達(dá)240ns，在位時間配置不變的情況下，大大地縮短了CAN系統(tǒng)的容許線纜長度?；蛘卟捎酶綦x收發(fā)器方案，如CTM1051KT采用磁耦隔離，磁隔離延時3~5ns，在位時間配置不變的情況下，CTM1051KT自帶隔離基本不會對容許線纜長度造成影響，可滿足1Mbps速率下約36m的傳輸距離。

　　實際應(yīng)用中，主CPU將數(shù)據(jù)從CAN控制器中讀出和寫入并作初步處理所耗費(fèi)的時間，即軟件延時對總線延時也有一定的影響，另外還需考慮CAN控制器延時，即是CAN控制器為實現(xiàn)接收和發(fā)送緩存器中的信息和串行化的信息的相互轉(zhuǎn)化所開銷時間。軟件和控制器導(dǎo)致的延時與具體應(yīng)用、主控器、CAN控制器和接口芯片有關(guān)。考慮到總線控制器在設(shè)計時已經(jīng)考慮到內(nèi)部處理時間，所以延時應(yīng)該在納秒級以下，在此可以不計。

　　線纜的選型不同，其延時率也不同，傳輸?shù)木嚯x也會有較大影響，在CAN控制器、收發(fā)器、隔離等外圍元器件確的情況下，可通過以下方法計算線纜的長度。若線纜的通信距離為L(以m 為單位)、通信速率為B(以bit/s為單位)、采樣位置為P(如75%)、隔離器件傳播延時為tg(以ns 為單位，如t3，t6)、收發(fā)器傳播延時為tq(以ns 為單位，如t2，t5)、線纜傳播延時為tx(以ns/m為單位)?？梢缘玫骄€纜通信長度的估算公式：L=[(1/B)?P–4(tg+tq)]/2tx。由公式可知：線纜延時率越小，在相同條件下，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，所以在線纜選型中，建議用較粗的導(dǎo)線(線徑越大，延遲越小)，或者

　　使用鍍金或者鍍銀的線纜。

　　隔離器件等外圍電路的引入和收發(fā)器增加長時間顯性關(guān)斷功能等，都增加了CAN總線的延時時間，導(dǎo)致了越新型的收發(fā)器，回環(huán)延遲加大，減少了實際通訊距離。若想增大CAN總線通信距離，必須了解CAN通信的原理及信號線傳輸?shù)脑?，通過提高收發(fā)器、隔離器件的性能和線纜的選型來減小CAN信號傳輸?shù)难訒r時間，從而提高實際通信的距離。

　　4 結(jié)束語

　　每個CAN總線節(jié)點(diǎn)都能對CAN總線數(shù)據(jù)各個點(diǎn)位進(jìn)行正確采樣是保證CAN總線有效通信的前提，一個網(wǎng)絡(luò)中的所有的節(jié)點(diǎn)都需保持相同或者接近的采樣點(diǎn)，否則會由于總線距離和延時的原因?qū)е聦嶋H讀取點(diǎn)位不正確，產(chǎn)生CRC錯誤。本文詳細(xì)介紹了CAN采樣點(diǎn)的原理、計算、標(biāo)準(zhǔn)推薦，并從CAN控制器延時、CAN收發(fā)器延時、線纜延時、軟件延時等角度分析CAN采樣點(diǎn)對傳輸距離的影響。