如何快速解決CAN/CAN FD通訊延遲困擾

CAN-bus總線在軌道交通、醫(yī)療設備等行業(yè)得到廣泛應用,但工程師們經常會遇到信號傳輸延遲的問題困擾。本文將針對傳輸延遲問題,進行詳細分析,并給出一些可行的解決方案。

由于CAN-bus總線的實時性強、抗干擾能力強等特點,在軌道交通、汽車電子等行業(yè)得到廣泛的應用。伴隨著技術的升級和CAN節(jié)點的增加,CAN協(xié)議提供的8字節(jié)數據傳輸以及最高1Mbps的波特率已經不能滿足工程師的應用需求。針對此現象,CiA協(xié)議聯合各大車廠,制定出新一代的CAN FD協(xié)議,其主要的內容就是將一幀的數據段由8字節(jié)提升到64字節(jié),同時可以提升數據段的波特率,以縮短通訊時間。

在一些行業(yè)中,對實時性要求很高,例如CAN通信在軌道交通制動系統(tǒng)中的應用,如果CAN-bus總線通訊出現了延遲,會嚴重影響軌道交通安全,造成列車運行癱瘓,甚至危及人身安全。那么,如何評估CAN網絡延時情況以及如何降低CAN/CAN FD通訊延遲,保證通訊穩(wěn)定呢?接下來,做詳細介紹。

CAN/CAN FD網絡信號延時上限

CAN-bus總線采用多主通信模式、非破壞式總線仲裁機制。發(fā)送節(jié)點在發(fā)送報文時,在發(fā)完CRC校驗場之后,會發(fā)出長度為2個位的ACK段,如圖1所示。當接收節(jié)點正確接收到有效報文時,就會在應答間隙(ACK SLOT)向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個“顯性”位來作為回應。發(fā)送節(jié)點檢測到總線呈現顯性狀態(tài),便認為成功發(fā)送報文。如果發(fā)送節(jié)點沒有檢測到有效的顯性位,則認為總線錯誤。所以,CAN FD信號延遲的最大時限是確保發(fā)送節(jié)點在應答間隙內接收到有效的應答信號。

圖1 ACK應答

以1Mbit/s波特率為例,在單次采樣模式下,當采樣率為75%時,應保證在750ns內,發(fā)送節(jié)點能夠采集到接收節(jié)點發(fā)出的顯性位,否則會出現總線錯誤。即,延時總和時間≤位時間x采樣點百分比。

如何快速評估CAN網絡延時情況?

工程師們在開發(fā)設計CAN底層硬件時,需要結合應用場景充分考慮延遲帶來的影響。那么,工程師如何快速評估CAN網絡的延時情況?如圖2所示,是CANScope分析儀抓取的,由于傳輸延遲導致的錯誤波形。

圖2 傳輸延遲錯誤

由于 ACK 界定符被前面的應答場嚴重壓縮,導致被某個節(jié)點識別為顯性(原本是隱性),所以這個識別錯誤的節(jié)點后面發(fā)出了錯誤幀,進行全局通知,讓發(fā)送節(jié)點重新發(fā)送。

CANScope分析儀可以提供傳輸延遲測量的功能,可以進行單幀的延遲測量,也可以進行所有波形的延時統(tǒng)計。如圖3所示,可以通過延遲測量出導線的等效長度,即最大延遲÷5ns/m,并給出該波特率下最長等效傳輸距離。

圖3 CANScope傳輸延遲測量功能

CAN/CAN FD信號延時分析

通過延時上限可以了解到,我們需要嚴格的控制總線上各個部分造成的延時時間,確保延時時間總和在一定范圍內。接下來,以CAN FD為例,了解一下造成延時的具體原因。

如圖4所示,CAN FD網絡上兩節(jié)點之間通信過程中,CAN FD報文首先從節(jié)點A控制器發(fā)出,經過隔離器件、CAN FD收發(fā)器發(fā)送到總線上,再通過一段距離的傳輸依次達到節(jié)點B的CAN FD收發(fā)器、隔離器件,CAN FD控制器,最后又節(jié)點B發(fā)出ACK顯性應答位,重復上述過程到達節(jié)點A。很明顯,整個過程中,會影響信號傳輸延遲的因素有:CAN FD控制器、隔離方式、收發(fā)器循環(huán)延時、線纜傳播。

圖4 總線節(jié)點通訊結構

1、CAN FD控制器延時

CAN FD控制器造成的延時可以從兩方面分析:

軟件延時:在應用進程中,主CPU將數據從CAN FD控制器中讀寫耗費的時間;

控制器延時:CAN FD控制器實現串行化信息所耗費的時間。

這個過程中與主控制器、CAN FD控制器、接口芯片等有關,通常情況下,延時在納秒級以下,可以忽略不計。

2、隔離方式造成的延時

為了增加信號傳輸的可靠性,通常都會在CAN FD底層硬件設計中添加隔離設計。隔離器件的添加,帶來一定的延時并影響CANFD系統(tǒng)容許的線纜長度。不同的隔離方式,延時效果也不同。

常用的解決方案有光耦+CAN FD收發(fā)器,如圖5所示。圖中光耦6N137具有典型的單向延時60ns,加上全部信號雙向傳輸會造成240ns延時。

圖5 光耦+CAN收發(fā)器

相比上述分立器件的隔離方式,也可以采用隔離收發(fā)器的方案,如圖6所示。例如,CTM5MFD采用磁耦隔離方式,延時時間在3～5ns。這種情況下,基本不會影響總線容許通信線纜長度。

圖6 CAN FD隔離收發(fā)器

3、收發(fā)器循環(huán)延時

循環(huán)延時指TXD引腳信號變化導致至RXD引腳信號變化的時間差。如圖7所示,可以測試TXD和RXD之間的循環(huán)延時。

圖7 收發(fā)器循環(huán)延時測量

CAN FD收發(fā)器循環(huán)延時由收發(fā)器本身的性能決定,傳播延時最大可達幾百納秒。CAN FD收發(fā)器延時是CAN總線規(guī)范必測項目,選取性能高的收發(fā)器,可以有效降低傳輸延時,增加總線傳輸距離。

4、線纜傳播延時

線纜是CAN-bus總線傳輸的重要介質,其長度也是影響通訊延時的重要原因。不同類型的線纜會造成不同的延時效果。通常情況下,導線延時為5ns/m,建議選擇較粗的導線,線徑越大,延遲越小,或者可以使用鍍金、鍍銀的線纜(鍍金的0．2平方毫米線相當于1．0平方毫米的銅線)。線徑過小,其導線阻值過大,影響傳輸速率造成延遲。線纜的延時越小,CAN總線傳輸的距離越遠。

綜合上述介紹,我們可以總結出以下解決信號延遲的方案:

選擇性能較好的CAN FD收發(fā)器和CAN FD控制器;

使用CTM3(5)MFD磁耦隔離收發(fā)器,降低延時;

使用標準線纜,禁止使用電話線、網線等線徑較小的線纜,必要時可選擇較好材質的導線;

波特率一定時,傳輸距離過大,可以添加CAN FD網橋,降低導線傳輸延時。

CAN/CANFD轉CAN/CANFD網橋

如圖8所示,CANFDBridge是廣州致遠電子有限公司開發(fā)的高性能CAN/CANFD智能協(xié)議網橋,集成2路CAN/CANFD可切換接口,支持ISO標準CANFD與Bosch CANFD標準。每個接口具備獨立的2500VDC電氣隔離保護電路,使接口卡避免由于地環(huán)流的損壞,增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

CANFDBridge支持 CAN 轉 CAN、CAN 轉CANFD、CANFD轉 CAN、CANFD轉CANFD 等報文默認轉換處理。除此之外,還提供幀映射、合并和拆分等特殊轉換處理。用戶可自由設定 CAN(FD)報文的轉發(fā)映射、組包拆包等規(guī)則,滿足自身應用需求。

圖8 CAN FD網橋

CANScope總線綜合分析儀系列

如圖9所示,CANScope總線綜合分析儀是一款綜合性的CAN總線開發(fā)與測試的專業(yè)工具,集海量存儲示波器、網絡分析儀、誤碼率分析儀、協(xié)議分析儀及可靠性測試工具于一身,并把各種儀器有機的整合和關聯;重新定義CAN總線的開發(fā)測試方法,可對CAN網絡通信正確性、可靠性、合理性進行多角度全方位的評估;幫助用戶快速定位故障節(jié)點,解決CAN總線應用的各種問題。

審核編輯：符乾江