信號(hào)速率與線纜長(zhǎng)度的關(guān)系：CAN 總線計(jì)時(shí)權(quán)衡因素

有一個(gè)關(guān)于得克薩斯州民間英雄 Pecos Bill 的故事：那時(shí)，有人打賭他不能從從得克薩斯州的加爾維斯敦游過(guò)墨西哥灣到達(dá)弗羅里達(dá)州的基韋斯特。他訓(xùn)練了一個(gè)月，當(dāng)這一天到來(lái)時(shí)他便一頭扎進(jìn)了墨西哥灣。Bill 不分晝夜地游了一個(gè)星期，期間戰(zhàn)鯊魚(yú)斗颶風(fēng)。最終，他離自己的目標(biāo)越來(lái)越近。然而，當(dāng)他在海浪中看到遠(yuǎn)處的基韋斯特時(shí)，他意識(shí)到他已經(jīng)太累，無(wú)法再繼續(xù)向前游了，因此他轉(zhuǎn)身游回了得克薩斯！

致力于 CAN 通信的設(shè)計(jì)人員就像 Pecos Bill 一樣面對(duì)他們所遇到的種種挑戰(zhàn)，往返信號(hào)傳輸成為一個(gè)重要的考慮因素。

當(dāng)一個(gè)以上節(jié)點(diǎn)要在共用總線上發(fā)送信號(hào)時(shí)，控制器局域網(wǎng) (CAN) 協(xié)議的一個(gè)關(guān)鍵特性就是如何處理總線爭(zhēng)用問(wèn)題。CAN 使用逐位仲裁 (bit-wise arbitration) 來(lái)選擇哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該繼續(xù)信號(hào)傳輸。由于這些節(jié)點(diǎn)對(duì)每一個(gè)比特位進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，并且必須服從于更高優(yōu)先級(jí)的消息，因此它們的響應(yīng)時(shí)間必須快到能夠在破壞下一個(gè)比特以前終止傳輸。如下面三種情況所述，這就對(duì)容許組件延遲和線纜長(zhǎng)度以及可用信號(hào)速率構(gòu)成了一些限制。

情況 1：無(wú)爭(zhēng)用正常 CAN 總線運(yùn)行
通常每次只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)要通過(guò)共用 CAN 總線通信。沒(méi)有一般性損耗的情況下，我們來(lái)討論一種二節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，然后再將這種討論延伸至更多節(jié)點(diǎn)。圖 1 描述了其工作原理。首先，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于非占用狀態(tài)，因此總線上沒(méi)有差動(dòng)信號(hào)，如（1a）所示。如果節(jié)點(diǎn) A 開(kāi)始通信，則其使用一個(gè)占用位啟動(dòng)一個(gè) CAN 消息。向 CAN 收發(fā)器發(fā)送的傳輸數(shù)據(jù) (TXD) 輸入是一個(gè)邏輯 0，其命令差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器在總線線路上生成一個(gè)差動(dòng)信號(hào)，如（1b）所示。節(jié)點(diǎn) A 的接收機(jī)感應(yīng)到該差動(dòng)信號(hào)，并在已接收數(shù)據(jù)引腳 (RXD) 上輸出一個(gè)邏輯 0。差動(dòng)電壓根據(jù) (1c) 和(1d) 所示雙絞線對(duì)的傳輸線路屬性進(jìn)行傳輸。最終，差動(dòng)信號(hào)到達(dá)節(jié)點(diǎn) B，節(jié)點(diǎn) B 的接收機(jī)也在 RXD 上輸出一個(gè)邏輯 0，如 (1e) 所示。這時(shí)，節(jié)點(diǎn) B 注意到節(jié)點(diǎn) A 已經(jīng)開(kāi)始一個(gè) CAN 消息，這樣節(jié)點(diǎn) B 便不會(huì)在節(jié)點(diǎn) A 完成以前發(fā)起消息。

圖 1 A 到 B 的正常信號(hào)傳輸
需要注意的是，節(jié)點(diǎn) B 并非馬上就知道節(jié)點(diǎn) A 已經(jīng)開(kāi)始一條消息，因?yàn)閺?A 到 B 的信號(hào)具有一定的延遲。這種情況下的總延遲為通過(guò) A 處收發(fā)器（以及相關(guān)的隔離和緩沖電路）的延遲加上通過(guò)線纜的傳輸延遲，再加上 B 處收發(fā)器、隔離和緩沖電路的延遲的總和。乍一看，似乎這種單向延遲就是確保節(jié)點(diǎn)　B　不同節(jié)點(diǎn)　A　發(fā)送消息相沖突所需的關(guān)鍵計(jì)時(shí)限制。正如我們?cè)谇闆r 2 中所看到的一樣，這并非故事的全部。
情況 2：延遲爭(zhēng)用，后發(fā)消息具有更高的優(yōu)先級(jí)
我們的下一種情況（圖 2）假設(shè)，節(jié)點(diǎn) A 再次發(fā)起一條消息，但是節(jié)點(diǎn) B 在稍后發(fā)起的一條消息具有更高的優(yōu)先級(jí)。如前所述，這種情況以?xún)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)均處在非占用模式作為開(kāi)始，如 (2a 所示，隨后節(jié)點(diǎn) A 變?yōu)檎加茫ㄈ纾?b）所示）發(fā)起一條消息。該占用差動(dòng)電壓再次沿線纜傳輸。在信號(hào)到達(dá) B 處的收發(fā)器以前，該節(jié)點(diǎn)剛好利用如（2c）所示占用位發(fā)起一條消息。這時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都正傳輸一個(gè)占用位，并且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都正接收一個(gè)占用位（如（2d）所示），然后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒(méi)意識(shí)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)也已啟用。由于在我們的假設(shè)情況中，節(jié)點(diǎn) A 具有比節(jié)點(diǎn) B 更低的優(yōu)先級(jí)，因此有時(shí)節(jié)點(diǎn) A 會(huì)通過(guò)將其 TXD 設(shè)置為 0（如（2e）所示）來(lái)發(fā)出一個(gè)非占用位。但是，由于節(jié)點(diǎn) B 的作用，RXD 會(huì)感應(yīng)到總線仍然處在占用狀態(tài)下。

圖 2 延遲爭(zhēng)用—B 具有高優(yōu)先級(jí)

通過(guò)研究某個(gè)具有實(shí)際延遲值的假設(shè)案例，我們可以更加具體地介紹這些計(jì)時(shí)要求。在我們的二節(jié)點(diǎn)例子中，設(shè)定總單向延遲為 200ns，信號(hào)傳輸速率為 1Mbps，也就是 ISO 11898-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值。這樣，位時(shí)間便為 1000ns。除節(jié)點(diǎn) B 的第二位會(huì)是同節(jié)點(diǎn) A 的消息優(yōu)先級(jí)匹配的 0（非占用）以外，其同情況 2 所述一樣。（情況 2 中，節(jié)點(diǎn) B 具有一個(gè)占用第二位，表明更高的消息優(yōu)先級(jí)。）

圖 3 中，節(jié)點(diǎn) A 在時(shí)間 t=0 時(shí)開(kāi)始一條消息，從而在總線（b）上傳輸一個(gè)占用位。如圖 2 所示，其可能出現(xiàn)的情況是，節(jié)點(diǎn) B 剛好在節(jié)點(diǎn) A 的信號(hào)被接收到以前（c）開(kāi)始發(fā)送，也即時(shí)間t=199ns。當(dāng)時(shí)間 t=1000ns 的第二位開(kāi)始之初，在節(jié)點(diǎn) A 轉(zhuǎn)到非占用狀態(tài)以前兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒(méi)意識(shí)到對(duì)方的有效性。然后，節(jié)點(diǎn) B 在時(shí)間 t=1199ns 的第二位開(kāi)始之初，轉(zhuǎn)到非占用狀態(tài)。另一個(gè)單向延遲以后，該非占用信號(hào)到達(dá)節(jié)點(diǎn)A，時(shí)間 t=1399ns。只有在這時(shí)，節(jié)點(diǎn) A 才讀取 RXD 信號(hào)，并且可以確定其代表網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)。

圖 3 延遲爭(zhēng)用—節(jié)點(diǎn) A 和 B 具有相同的優(yōu)先級(jí)

注意，只通過(guò)等到兩倍單向延遲（或者相當(dāng)于總雙向傳輸時(shí)間）節(jié)點(diǎn)A才能判別這種情況，其中節(jié)點(diǎn) A 和 B 的消息具有相同的優(yōu)先級(jí)（情況 3），以及節(jié)點(diǎn) B 的消息擁有更高的優(yōu)先級(jí)。由于 CAN 協(xié)議固有的逐位仲裁機(jī)制，這種雙向延遲必須較好地位于一個(gè)位時(shí)間預(yù)算范圍內(nèi)，也即 1000ns。否則，在第二個(gè)位仲裁完成以前，節(jié)點(diǎn) A 就可能開(kāi)始傳送其第三個(gè)位。

信號(hào)傳輸速率及線纜長(zhǎng)度限制
我們知道雙向延遲至關(guān)重要，CAN 定義可編程傳輸延遲 (PROP_SEG) 為每個(gè)位的組成部分，以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在對(duì)總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實(shí)等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間。PROP_SEG 的計(jì)算涉及雙向延遲和本地系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相關(guān)知識(shí)，其超出了本文的討論范圍。實(shí)際上，PROP_SEG 將采樣點(diǎn)規(guī)定在約總位時(shí)間的 5/6 或者更低以照顧其他段，這樣雙向延遲便被規(guī)定為位時(shí)間的一小段。

CAN 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，線纜為 5ns 每米傳輸延遲，1Mbps 信號(hào)速率時(shí)最大線纜長(zhǎng)度為 40 米。位時(shí)間為 1000ns 時(shí)，最遲采樣點(diǎn)（由PROP_SEG設(shè)定）約為 850ns。線纜本身具有 200ns 的單向延遲（即 400ns 雙向延遲），從而使收發(fā)器和相關(guān)電路的總延遲只剩約 450ns。

CAN 收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“環(huán)路延遲”，其包括驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)延遲。由于雙向計(jì)算中涉及兩個(gè)收發(fā)器，因此每個(gè)收發(fā)器都應(yīng)有 225ns 或者更低的環(huán)路延遲，以支持 1Mbps 信號(hào)速率下 40 米的總線長(zhǎng)度。如果收發(fā)器電路包括更多的組件，例如：隔離、電壓電平轉(zhuǎn)換或保護(hù)組件，則這些組件產(chǎn)生的延遲必須也包括在總延遲預(yù)算中。甚至，高速光耦合器一般具有 40ns 或更長(zhǎng)的單向延遲，而全部雙向信號(hào)都必須通過(guò)四個(gè)光耦合器。這就極大地縮短了使用光隔離 CAN 系統(tǒng)的容許線纜長(zhǎng)度（即增加了位時(shí)間）。1Mbps 條件下，即使快速光耦合器的延遲也會(huì)縮短容許線纜長(zhǎng)度，計(jì)算方法如方程式 1：

下面顯示了信號(hào)速率和線纜長(zhǎng)度之間的權(quán)衡因素，以及收發(fā)器延遲帶來(lái)的影響。收發(fā)器帶來(lái)的延遲（包括相關(guān)隔離、電平轉(zhuǎn)換和保護(hù)）對(duì)于 500 kbps 及以上的信號(hào)速率特別明顯。

圖 4 收發(fā)器延遲影響信號(hào)速率和線纜長(zhǎng)度的權(quán)衡（點(diǎn)擊圖片放大）
在單個(gè)封裝（ISO1050）中的高速 CAN 收發(fā)器集成 SiO2 隔離現(xiàn)已上市。利用低于 210ns 的極限總環(huán)路延遲（包括驅(qū)動(dòng)器、接收機(jī)和兩個(gè)隔離信道?。?，您可以減少雙向環(huán)路延遲，并簡(jiǎn)化您隔離式 CAN 解決方案的系統(tǒng)計(jì)時(shí)和設(shè)計(jì)。您還可以執(zhí)行一個(gè)電平轉(zhuǎn)換功能，將一個(gè) 3.3V 控制器的電壓轉(zhuǎn)換至 5V CAN 收發(fā)器，無(wú)需更多的延遲。

當(dāng)然，在進(jìn)行信號(hào)速率和線纜長(zhǎng)度相關(guān)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還存在其他一些問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)的傳輸線路效應(yīng)表明，負(fù)載、節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)間隔和短截線長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)保真度和抗干擾性都很重要。本文結(jié)尾列舉了較好的參考文獻(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)例子
為了說(shuō)明這些概念，可建立一個(gè)帶有兩個(gè)隔離 CAN 節(jié)點(diǎn)和 50 米線纜的實(shí)驗(yàn)室裝置。我們預(yù)計(jì)單向線纜延遲為 250ns，隔離收發(fā)器環(huán)路延遲約為 150ns，即 ISO1050 標(biāo)準(zhǔn)的典型值。因此，節(jié)點(diǎn) A 的采樣點(diǎn)應(yīng)約為比特開(kāi)始以后的 800ns，如圖 5 所示。

圖 5 50 米線纜的 1 Mbps CAN 信號(hào)速率（點(diǎn)擊圖片放大）

就 1Mbps 信號(hào)速率而言，在該比特結(jié)束以前，采樣點(diǎn)留有足夠的裕量，其表明使用快速收發(fā)器，40 米以上的線纜長(zhǎng)度是可行的。
總結(jié)

廣大設(shè)計(jì)人員正在各種應(yīng)用中使用 CAN 通信，他們需要了解計(jì)時(shí)限制和線纜長(zhǎng)度權(quán)衡方法。信號(hào)鏈中每個(gè)組件都會(huì)影響總計(jì)時(shí)預(yù)算，同時(shí)必須考慮雙向延遲以確?？煽康耐ㄐ拧Ｊ褂萌?ISO1050 等快速收發(fā)器可保證 CAN 信號(hào)按時(shí)完成雙向傳輸，只有比 Pecos Bill 更快才能游過(guò)墨西哥灣。

參考文獻(xiàn)
?如欲了解接口解決方案的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：www.ti.com/interface-ca。

作者簡(jiǎn)介
Clark Kinnaird 現(xiàn)任 TI 系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)新型工業(yè)接口產(chǎn)品，以支持 RS-422、RS-485、CAN、ControlNet、Profibus 以及其他常見(jiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范和應(yīng)用。他畢業(yè)于美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué) (University of Florida)，獲核能工程理學(xué)士學(xué)位，后又獲得該校的電子工程碩士學(xué)位，后又畢業(yè)于南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué) (SMU)，獲電子工程博士學(xué)位?，F(xiàn)在， Clark 還是南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)達(dá)拉斯分校電子工程專(zhuān)業(yè)的一名客座副教授，主要教授電子電路、信號(hào)處理與控制理論等課程。