信號速率與線纜長度的關(guān)系：CAN 總線計時權(quán)衡因素

信號速率與線纜長度的關(guān)系：CAN 總線計時權(quán)衡因素

有一個關(guān)于得克薩斯州民間英雄 Pecos Bill 的故事：那時，有人打賭他不能從從得克薩斯州的加爾維斯敦游過墨西哥灣到達(dá)弗羅里達(dá)州的基韋斯特。他訓(xùn)練了一個月，當(dāng)這一天到來時他便一頭扎進(jìn)了墨西哥灣。Bill 不分晝夜地游了一個星期，期間戰(zhàn)鯊魚斗颶風(fēng)。最終，他離自己的目標(biāo)越來越近。然而，當(dāng)他在海浪中看到遠(yuǎn)處的基韋斯特時，他意識到他已經(jīng)太累，無法再繼續(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)計人員就像 Pecos Bill 一樣面對他們所遇到的種種挑戰(zhàn)，往返信號傳輸成為一個重要的考慮因素。

當(dāng)一個以上節(jié)點要在共用總線上發(fā)送信號時，控制器局域網(wǎng) (CAN) 協(xié)議的一個關(guān)鍵特性就是如何處理總線爭用問題。CAN 使用逐位仲裁 (bit-wise arbitration) 來選擇哪一個節(jié)點應(yīng)該繼續(xù)信號傳輸。由于這些節(jié)點對每一個比特位進(jìn)行監(jiān)聽，并且必須服從于更高優(yōu)先級的消息，因此它們的響應(yīng)時間必須快到能夠在破壞下一個比特以前終止傳輸。如下面三種情況所述，這就對容許組件延遲和線纜長度以及可用信號速率構(gòu)成了一些限制。

情況 1：無爭用正常 CAN 總線運行
通常每次只有一個節(jié)點要通過共用 CAN 總線通信。沒有一般性損耗的情況下，我們來討論一種二節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，然后再將這種討論延伸至更多節(jié)點。圖 1 描述了其工作原理。首先，兩個節(jié)點都處于非占用狀態(tài)，因此總線上沒有差動信號，如（1a）所示。如果節(jié)點 A 開始通信，則其使用一個占用位啟動一個 CAN 消息。向 CAN 收發(fā)器發(fā)送的傳輸數(shù)據(jù) (TXD) 輸入是一個邏輯 0，其命令差動驅(qū)動器在總線線路上生成一個差動信號，如（1b）所示。節(jié)點 A 的接收機(jī)感應(yīng)到該差動信號，并在已接收數(shù)據(jù)引腳 (RXD) 上輸出一個邏輯 0。差動電壓根據(jù) (1c) 和(1d) 所示雙絞線對的傳輸線路屬性進(jìn)行傳輸。最終，差動信號到達(dá)節(jié)點 B，節(jié)點 B 的接收機(jī)也在 RXD 上輸出一個邏輯 0，如 (1e) 所示。這時，節(jié)點 B 注意到節(jié)點 A 已經(jīng)開始一個 CAN 消息，這樣節(jié)點 B 便不會在節(jié)點 A 完成以前發(fā)起消息。

圖 1 A 到 B 的正常信號傳輸
需要注意的是，節(jié)點 B 并非馬上就知道節(jié)點 A 已經(jīng)開始一條消息，因為從 A 到 B 的信號具有一定的延遲。這種情況下的總延遲為通過 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　B　不同節(jié)點　A　發(fā)送消息相沖突所需的關(guān)鍵計時限制。正如我們在情況 2 中所看到的一樣，這并非故事的全部。
情況 2：延遲爭用，后發(fā)消息具有更高的優(yōu)先級
我們的下一種情況（圖 2）假設(shè)，節(jié)點 A 再次發(fā)起一條消息，但是節(jié)點 B 在稍后發(fā)起的一條消息具有更高的優(yōu)先級。如前所述，這種情況以兩個節(jié)點均處在非占用模式作為開始，如 (2a 所示，隨后節(jié)點 A 變?yōu)檎加茫ㄈ纾?b）所示）發(fā)起一條消息。該占用差動電壓再次沿線纜傳輸。在信號到達(dá) B 處的收發(fā)器以前，該節(jié)點剛好利用如（2c）所示占用位發(fā)起一條消息。這時，兩個節(jié)點都正傳輸一個占用位，并且兩個節(jié)點都正接收一個占用位（如（2d）所示），然后兩個節(jié)點都沒意識到另一個節(jié)點也已啟用。由于在我們的假設(shè)情況中，節(jié)點 A 具有比節(jié)點 B 更低的優(yōu)先級，因此有時節(jié)點 A 會通過將其 TXD 設(shè)置為 0（如（2e）所示）來發(fā)出一個非占用位。但是，由于節(jié)點 B 的作用，RXD 會感應(yīng)到總線仍然處在占用狀態(tài)下。

圖 2 延遲爭用—B 具有高優(yōu)先級

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

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

圖 3 延遲爭用—節(jié)點 A 和 B 具有相同的優(yōu)先級

注意，只通過等到兩倍單向延遲（或者相當(dāng)于總雙向傳輸時間）節(jié)點A才能判別這種情況，其中節(jié)點 A 和 B 的消息具有相同的優(yōu)先級（情況 3），以及節(jié)點 B 的消息擁有更高的優(yōu)先級。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位時間預(yù)算范圍內(nèi)，也即 1000ns。否則，在第二個位仲裁完成以前，節(jié)點 A 就可能開始傳送其第三個位。

信號傳輸速率及線纜長度限制
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) 為每個位的組成部分，以保證每個節(jié)點在對總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實等待足夠長的時間。PROP_SEG 的計算涉及雙向延遲和本地系統(tǒng)時鐘頻率相關(guān)知識，其超出了本文的討論范圍。實際上，PROP_SEG 將采樣點規(guī)定在約總位時間的 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 信號速率時最大線纜長度為 40 米。位時間為 1000ns 時，最遲采樣點（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)動器和接收機(jī)延遲。由于雙向計算中涉及兩個收發(fā)器，因此每個收發(fā)器都應(yīng)有 225ns 或者更低的環(huán)路延遲，以支持 1Mbps 信號速率下 40 米的總線長度。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 或更長的單向延遲，而全部雙向信號都必須通過四個光耦合器。這就極大地縮短了使用光隔離 CAN 系統(tǒng)的容許線纜長度（即增加了位時間）。1Mbps 條件下，即使快速光耦合器的延遲也會縮短容許線纜長度，計算方法如方程式 1：

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

圖 4 收發(fā)器延遲影響信號速率和線纜長度的權(quán)衡（點擊圖片放大）
在單個封裝（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)動器、接收機(jī)和兩個隔離信道?。?，您可以減少雙向環(huán)路延遲，并簡化您隔離式 CAN 解決方案的系統(tǒng)計時和設(shè)計。您還可以執(zhí)行一個電平轉(zhuǎn)換功能，將一個 3.3V 控制器的電壓轉(zhuǎn)換至 5V CAN 收發(fā)器，無需更多的延遲。

當(dāng)然，在進(jìn)行信號速率和線纜長度相關(guān)性能優(yōu)化設(shè)計時還存在其他一些問題。網(wǎng)絡(luò)的傳輸線路效應(yīng)表明，負(fù)載、節(jié)點到節(jié)點間隔和短截線長度對系統(tǒng)的信號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)。

實驗室數(shù)據(jù)例子
為了說明這些概念，可建立一個帶有兩個隔離 CAN 節(jié)點和 50 米線纜的實驗室裝置。我們預(yù)計單向線纜延遲為 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 A 的采樣點應(yīng)約為比特開始以后的 800ns，如圖 5 所示。

圖 5 50 米線纜的 1 Mbps CAN 信號速率（點擊圖片放大）

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

廣大設(shè)計人員正在各種應(yīng)用中使用 CAN 通信，他們需要了解計時限制和線纜長度權(quán)衡方法。信號鏈中每個組件都會影響總計時預(yù)算，同時必須考慮雙向延遲以確?？煽康耐ㄐ?。使用如 ISO1050 等快速收發(fā)器可保證 CAN 信號按時完成雙向傳輸，只有比 Pecos Bill 更快才能游過墨西哥灣。

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

作者簡介
Clark Kinnaird 現(xiàn)任 TI 系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)開發(fā)新型工業(yè)接口產(chǎn)品，以支持 RS-422、RS-485、CAN、ControlNet、Profibus 以及其他常見工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范和應(yīng)用。他畢業(yè)于美國佛羅里達(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)理公會大學(xué)達(dá)拉斯分校電子工程專業(yè)的一名客座副教授，主要教授電子電路、信號處理與控制理論等課程。