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    技术文章—CAN-bus总线信号传输延时分析及解决方
     

      摘要:CAN-bus总线在轨道交通、医疗设备等行业得到广泛应用,但工程师们经常会遇到信号传输延迟的问题困扰。本文将针对传输延迟问题,进行详细分析,并给出一些可行的解决方案。

      由于CAN-bus总线的实时性强、抗干扰能力强等特点,在轨道交通、汽车电子等行业得到广泛的应用。伴随着技术的升级和CAN节点的增加,CAN协议提供的8字节数据传输以及最高1Mbps的波特率已经不能满足工程师的应用需求。针对此现象,CiA协议联合各大车厂,制定出新一代的CAN FD协议,其主要的内容就是将一帧的数据段由8字节提升到64字节,同时可以提升数据段的波特率,以缩短通讯时间。

      在一些行业中,对实时性要求很高,例如CAN通信在轨道交通制动系统中的应用,如果CAN-bus总线通讯出现了延迟,会严重影响轨道交通安全,造成列车运行瘫痪,甚至危及人身安全。那么,如何评估CAN网络延时情况以及如何降低CAN/CAN FD通讯延迟,保证通讯稳定呢?接下来,做详细介绍。

      CAN-bus总线采用多主通信模式、非破坏式总线仲裁机制。发送节点在发送报文时,在发完CRC校验场之后,会发出长度为2个位的ACK段,如图1所示。当接收节点正确接收到有效报文时,就会在应答间隙(ACK SLOT)向发送节点发送一个“显性”位来作为回应。发送节点检测到总线呈现显性状态,便认为成功发送报文。如果发送节点没有检测到有效的显性位,则认为总线错误。所以,CAN FD信号延迟的最大时限是确保发送节点在应答间隙内接收到有效的应答信号。

      以1Mbit/s波特率为例,在单次采样模式下,当采样率为75%时,应保证在750ns内,发送节点能够采集到接收节点发出的显性位,否则会出现总线错误。即,延时总和时间≤位时间x采样点百分比。

      工程师们在开发设计CAN底层硬件时,需要结合应用场景充分考虑延迟带来的影响。那么,工程师如何快速评估CAN网络的延时情况?如图2所示,是CANScope分析仪抓取的,由于传输延迟导致的错误波形。

      由于 ACK 界定符被前面的应答场严重压缩,导致被某个节点识别为显性(原本是隐性),所以这个识别错误的节点后面发出了错误帧,进行全局通知,让发送节点重新发送。

      CANScope分析仪可以提供传输延迟测量的功能,可以进行单帧的延迟测量,也可以进行所有波形的延时统计。如图3所示,可以通过延迟测量出导线的等效长度,即最大延迟÷5ns/m,并给出该波特率下最长等效传输距离。

      通过延时上限可以了解到,我们需要严格的控制总线上各个部分造成的延时时间,确保延时时间总和在一定范围内。接下来,以CAN FD为例,了解一下造成延时的具体原因。

      如图4所示,CAN FD网络上两节点之间通信过程中,CAN FD报文首先从节点A控制器发出,经过隔离器件、CAN FD收发器发送到总线上,再通过一段距离的传输依次达到节点B的CAN FD收发器、隔离器件,CAN FD控制器,最后又节点B发出ACK显性应答位,重复上述过程到达节点A。很明显,整个过程中,会影响信号传输延迟的因素有:CAN FD控制器、隔离方式、收发器循环延时、线缆传播。

      软件延时:在应用进程中,主CPU将数据从CAN FD控制器中读写耗费的时间;

      这个过程中与主控制器、CAN FD控制器、接口芯片等有关,通常情况下,延时在纳秒级以下,可以忽略不计。

      为了增加信号传输的可靠性,通常都会在CAN FD底层硬件设计中添加隔离设计。隔离器件的添加,带来一定的延时并影响CANFD系统容许的线缆长度。不同的隔离方式,延时效果也不同。

      常用的解决方案有光耦+CAN FD收发器,如图5所示。图中光耦6N137具有典型的单向延时60ns,加上全部信号双向传输会造成240ns延时。

      相比上述分立器件的隔离方式,也可以采用隔离收发器的方案,如图6所示。例如,CTM5MFD采用磁耦隔离方式,延时时间在3~5ns。这种情况下,基本不会影响总线容许通信线缆长度。

      循环延时指TXD引脚信号变化导致至RXD引脚信号变化的时间差。如图7所示,可以测试TXD和RXD之间的循环延时。

      CAN FD收发器循环延时由收发器本身的性能决定,传播延时最大可达几百纳秒。 CAN FD收发器延时是CAN总线规范必测项目,选取性能高的收发器,可以有效降低传输延时,增加总线传输距离。

      线缆是CAN-bus总线传输的重要介质,其长度也是影响通讯延时的重要原因。不同类型的线缆会造成不同的延时效果。通常情况下,导线ns/m,建议选择较粗的导线,线径越大,延迟越小,或者可以使用镀金、镀银的线平方毫米线平方毫米的铜线)。线径过小,其导线阻值过大,影响传输速率造成延迟。线缆的延时越小,CAN总线传输的距离越远。

      使用标准线缆,禁止使用电话线、网线等线径较小的线缆,必要时可选择较好材质的导线;

      波特率一定时,传输距离过大,可以添加CAN FD网桥,降低导线传输延时。

      如图8所示,CANFDBridge是广州致远电子有限公司开发的高性能CAN/CANFD智能协议网桥,集成2路CAN/CANFD可切换接口,支持ISO标准CANFD与Bosch CANFD标准。每个接口具备独立的2500VDC电气隔离保护电路,使接口卡避免由于地环流的损坏,增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。

      CANFDBridge支持 CAN 转 CAN、CAN 转CANFD、CANFD转 CAN、CANFD转CANFD 等报文默认转换处理。除此之外,还提供帧映射、合并和拆分等特殊转换处理。用户可自由设定 CAN(FD)报文的转发映射、组包拆包等规则,满足自身应用需求。

      如图9所示,CANScope总线综合分析仪是一款综合性的CAN总线开发与测试的专业工具,集海量存储示波器、网络分析仪、误码率分析仪、协议分析仪及可靠性测试工具于一身,并把各种仪器有机的整合和关联;重新定义CAN总线的开发测试方法,可对CAN网络通信正确性、可靠性、合理性进行多角度全方位的评估;帮助用户快速定位故障节点,解决CAN总线应用的各种问题。

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      随着CAN-bus相关芯片价格的下降,内置CAN控制器MCU的增多,CAN-bus当前已经进入了众多早期由于成本问题无法使用的领域,成为极具生命力的现场总线,今天我们就来探讨如何构建专属自己的CAN-bus应用层协议。在CAN-bus网络上,CAN报文以广播的形式发送,CAN报文不包含地址信息,是否处理接收到的CAN报文由接收点的软件确定。CAN-bus只提供可靠的报文传输服务,CAN报文的使用由应用者定义, 所以CAN网络中的节点要相互通信就必须制定一个统一的规则。CAN应用层协议就是这样一个规则。这个规则,定义了CAN报文中帧ID及帧数据的使用方式,如将帧ID定义为需要处理该帧数据的CAN节点地址等。根据应用场合的不同,国际上

      ; * 内部定时器在接收和发送的帧起始位的采样点位置被采样,并生成时间戳。 */ FunctionalState CAN_TTCM; // ABOM(Automatic Bus-off managerment) /* 0:软件

      CAN-bus的可靠性很高,但是在某些情况下还是发生错误,为了使数据能够在总线上可靠传输,CAN-bus规范对各类帧的格式、用途及发送时机都进行了详细的规定。并实现在CAN控制器中自动完成帧格式处理及校验等工作,一旦错误被检测,正在传送的数据帧将会立即停止而待总线空闲时再次重发直至发送成功,该过程并不需要CPU的干涉除非错误累计该发送器退隐(Bus off)。 CAN-bus的可靠性很高,但是在某些情况下还是发生错误,为了使数据能够在总线上可靠传输,CAN-bus规范对各类帧的格式、用途及发送时机都进行了详细的规定。下面我们来总结下在CAN通讯中会出现哪些错误。 图一  位错误:发送节点在发送数据

      概述 CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域网,是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先,CAN-bus被设计作为汽车环境中的微控制器之间通讯,在车载各电子控制装置ECU之间交换信息,形成汽车电子控制网络。它是一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有较高的位速率,高抗干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。信号传输距离达到10Km时,仍然可提供高达5Kbps的数据传输速率。由于CAN串行通讯总线具有这些特性,它很自然的在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。         我们致力于发展中国的CAN-bus产品与应用事业。到目前为止,我们已成功开发出一系列CAN-bus

      CAN-BUS 1,CAN-BUS的起源 控制器局域网(controllerareanetwork 简称CAN)最初是德国Bosch公司于1983年为汽车应用而开发的,一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络,属于现场总线(FieldBus)的范畴。1993年11月,ISO正式颁布了控制器局域网CAN国际标准(ISO11898),为控制器局域网标准化、规范化推广铺平了道路。目前它已经成为国际上应用最广泛的开放式现场总线,CAN-BUS的原理 CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络。是应用在现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通讯系统,是一种

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