本文導讀

在CAN總線系統(tǒng)中，傳播延遲過大是引發(fā)通信故障的關鍵誘因之一，可能會導致仲裁異常，使優(yōu)先級高的信號無法正常優(yōu)先傳輸，破壞通信秩序；可能會造成應答錯誤，使發(fā)送節(jié)點難以在應答隙內(nèi)接收到有效應答信號，影響數(shù)據(jù)傳輸確認機制；也可能會引發(fā)數(shù)據(jù)采樣錯誤，導致發(fā)送與接收位不一致，產(chǎn)生位錯誤。

本文將在不考慮其它影響下，對傳播延遲過大造成的應答錯誤現(xiàn)象進行詳細解析。

相關定義

1、傳播延遲定義：傳播延遲是所有類型的傳輸媒體都存在的一種特性。以簡單雙節(jié)點網(wǎng)絡模型（如圖1所示）為例，傳播延遲包括終端收發(fā)器及其附件的延遲時間與線纜的延遲時間。

Node A到Node B的傳播延遲=0.2+10+0.1=10.3

Node B到Node A的傳播延遲=0.2+10+0.1=10.3

圖1 簡單雙節(jié)點網(wǎng)絡模型

2、ACK延遲定義：

CAN總線網(wǎng)絡中，當一個節(jié)點按照CAN協(xié)議要求發(fā)送完數(shù)據(jù)后，其它節(jié)點都會回應ACK，但是受傳播延遲及控制器響應快慢的影響，發(fā)送節(jié)點一般不能在預期的時刻收到接收節(jié)點回應的ACK，而實際回應ACK時刻和預期時刻間的差值，我們稱之為ACK延遲時間。

以簡單雙節(jié)點網(wǎng)絡模型（如圖2所示）為例，測量方法如下：

以發(fā)送節(jié)點TX位流中最后一個下降沿為起始時刻T0；

經(jīng)歷n個位時間（）后，找到TX預期收到ACK開始邊沿的時刻T1；

從發(fā)送節(jié)點RX位流中找到實際收到ACK開始邊沿的時刻T2，計算?T=T2-T0；

ACK延遲計算公式：。

圖2 ACK延遲測量原理

3、ACK延遲和傳播延遲的關聯(lián)：如圖3所示，ACK延遲由三部分組成：

• 陰影1：發(fā)送節(jié)點TX到接收節(jié)點RX的傳播延遲；
• 陰影2：接收節(jié)點控制器發(fā)送ACK前的元件響應時間；
• 陰影3：接收節(jié)點TX到發(fā)送節(jié)點RX的傳播延遲。

結合ACK延遲計算公式，上述三部分之和即為ACK延遲，因此ACK延遲包含了雙向的傳播延遲和控制器響應時間。

圖3 ACK延遲和傳播延遲關系圖

注：

1、選擇ACK前的下降沿作為參考點，是因為下降沿落在接收節(jié)點同步段外時會觸發(fā)重同步，可減少波特率誤差積累對結果的影響。

2、本章節(jié)內(nèi)的解析均以簡單雙節(jié)點CAN網(wǎng)絡模型為例，所以從ACK開始邊沿開始計算延時，較好理解。若在多節(jié)點的CAN網(wǎng)絡中，因為無法看到最晚節(jié)點開始回應ACK的時間，所以以ACK的結束邊沿進行傳播延時的計算。

3、受接收節(jié)點重同步影響，ACK起始回應時間存在0~1TQ偏差，因此可能比標準值小0~1TQ。

傳播延遲過大的影響

如圖 4所示，ZPS-CANFD設備與USBCANFD卡組網(wǎng)后，USBCANFD卡以500K bps的波特率（采樣點80%）在線纜很短的情況發(fā)送數(shù)據(jù)給ZPS，然后通過ZPS軟件中報文接收列表可以看到，沒有錯誤幀產(chǎn)生。

圖4 傳播延遲很小時現(xiàn)象將線纜換為100m，ZPS-CANFD設備與USBCANFD卡組網(wǎng)后，USBCANFD卡以相同的波特率參數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)給ZPS，然后從ZPS軟件中報文接收列表看到有很多錯誤幀產(chǎn)生，如圖 5所示。

圖5 傳播延遲很大時現(xiàn)象

對比兩次報文接收列表關聯(lián)的波形數(shù)據(jù)可以看出，當ZPS報出應答定界符錯誤時，本應該是隱性位的應答定界符位卻顯示了顯性位，不符合CAN規(guī)范要求，所以導致了錯誤幀的產(chǎn)生。那么為什么應答定界符位顯示了顯性位呢？下面我們對其進行詳細的解析。

1、傳播延遲過大為什么會產(chǎn)生錯誤幀？

如圖6所示，從DUT-TX波形可以知道DUT在TA時刻開始等待ZPS回應的ACK，從DUT-RX的波形可以知道在TB時刻，DUT開始收到ZPS回應的ACK，所以ACK延遲是1604ns。

前面已知DUT的采樣點是80%，所以DUT應該在1600ns（2000ns×0.8）的時刻判斷顯隱性電平，但是由于傳播延遲的影響，此時DUT-RX剛好收到ZPS回應的ACK邊沿臨界位置，所以會導致DUT在正確的時刻采樣不到預期的顯性值，從而發(fā)送了主動錯誤幀（6個顯性錯誤標志位+8個隱性錯誤定界符位）。

正是因為DUT發(fā)送了主動錯誤幀，將ACK應答定界符的隱性位覆蓋了，所以ZPS識別到的應答定界符位不符合CAN規(guī)范，然后報出了應答定界符錯誤。

圖6 錯誤幀解析

2、如何消除因傳播延遲過大導致的通信錯誤？

傳播延遲主要是受線纜、收發(fā)器及其附件影響，如果想要減小延遲，我們可以在選型時，選擇延遲較小的收發(fā)器，或者減少網(wǎng)絡中的線纜長度，如果這些硬件環(huán)境已經(jīng)固定，我們可以通過修改軟件參數(shù)，來消除通信錯誤，比如降低波特率或采樣點后移。

下面以采樣點后移（采樣點調(diào)整到90%）的方法為例，來細看通信錯誤被消除后的波形細節(jié)。

如圖7所示，從報文接收列表中，可以看到無錯誤幀產(chǎn)生，通過觀察報文關聯(lián)的波形，如圖8所示，M0時刻為DUT采樣點位置：2000ns×0.9=1800ns，大于ACK延遲時間1604ns，所以此時DUT-RX可正確判斷顯隱性位，從而不會發(fā)出錯誤幀。

圖7 采樣點改為90%，無錯誤幀產(chǎn)生

圖8 DUT- RX識別位正確不報錯誤幀

在上述分析環(huán)節(jié)，我們基于所獲取的DUT發(fā)送（TX）與接收（RX）數(shù)據(jù)，借助ZPS的光標測量功能，手動地測量出傳播延遲，幫助大家直觀理解傳播延遲對通信的具體影響。那在實際的現(xiàn)場環(huán)境中，如何快速的測量出系統(tǒng)的傳播延遲呢？下面，我們一起看下ZPS-CANFD設備的自動化系統(tǒng)傳播延遲評估功能測量出的結果。

ZPS-CANFD系統(tǒng)傳播延遲評估

ZPS-CANFD設備的“系統(tǒng)傳播延遲評估”功能，可自動化測量關鍵參數(shù)，步驟如下：

1）配置軟硬件測試環(huán)境，打開評估功能并設置參數(shù)；

2）測試完成后，輸出ACK偏移（延遲時間）、最大傳播延遲、建議傳播段長度、線纜長度等結果，如圖9所示。

圖9 結果展示從測量結果界面可以看到，最大ACK偏移是1607ns，最大單向傳播延遲是803ns，當波特率為100k bps、采樣點75%時，采樣點占比（75%）遠大于延遲占比（1607/10000≈16%），無通訊錯誤，但是若波特率提高至500k bps且采樣點仍為75%，可能因延遲占比接近采樣點而引發(fā)通訊錯誤。