摘要：CAN-bus總線在軌道交通,、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,，但工程師們經(jīng)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(jìn)行詳細(xì)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(yīng)用,。伴隨著技術(shù)的升級和CAN節(jié)點的增加,，CAN協(xié)議提供的8字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸以及最高1Mbps的波特率已經(jīng)不能滿足工程師的應(yīng)用需求。針對此現(xiàn)象,，CiA協(xié)議聯(lián)合各大車廠,，制定出新一代的CAN FD協(xié)議，其主要的內(nèi)容就是將一幀的數(shù)據(jù)段由8字節(jié)提升到64字節(jié),，同時可以提升數(shù)據(jù)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(yīng)用，如果CAN-bus總線通訊出現(xiàn)了延遲,，會嚴(yán)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(wǎng)絡(luò)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(xì)介紹。

　　1.1CAN/CAN FD網(wǎng)絡(luò)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(dāng)接收節(jié)點正確接收到有效報文時,，就會在應(yīng)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(yīng),。發(fā)送節(jié)點檢測到總線呈現(xiàn)顯性狀態(tài)，便認(rèn)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(rèn)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(yīng)答間隙內(nèi)接收到有效的應(yīng)答信號,。

　　圖 1  ACK應(yīng)答

　　以1Mbit/s波特率為例，在單次采樣模式下,，當(dāng)采樣率為75%時,，應(yīng)保證在750ns內(nèi)，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(xiàn)總線錯誤,。即，延時總和時間≤位時間x采樣點百分比,。

　　1.2如何快速評估CAN網(wǎng)絡(luò)延時情況,？

　　工程師們在開發(fā)設(shè)計CAN底層硬件時，需要結(jié)合應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(yīng)答場嚴(yán)重壓縮，導(dǎo)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(jìn)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(jìn)行單幀的延遲測量，也可以進(jìn)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(dǎo)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

　　1.3CAN/CAN FD信號延時分析

　　通過延時上限可以了解到，我們需要嚴(yán)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(nèi),。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(wǎng)絡(luò)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(jīng)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(dá)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(yīng)答位,，重復(fù)上述過程到達(dá)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(jié)構(gòu)

　　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(yīng)用進(jìn)程中,，主CPU將數(shù)據(jù)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(xiàn)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(guān),，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?shù)目煽啃裕ǔ６紩贑AN FD底層硬件設(shè)計中添加隔離設(shè)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(dǎo)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(dá)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?shù)闹匾橘|(zhì),，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(dǎo)線延時為5ns/m,，建議選擇較粗的導(dǎo)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(dāng)于1.0平方毫米的銅線）。線徑過小,，其導(dǎo)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?shù)木嚯x越遠(yuǎn),。

　　綜合上述介紹，我們可以總結(jié)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(biāo)準(zhǔn)線纜,，禁止使用電話線,、網(wǎng)線等線徑較小的線纜，必要時可選擇較好材質(zhì)的導(dǎo)線,；

　　波特率一定時,，傳輸距離過大，可以添加CAN FD網(wǎng)橋,，降低導(dǎo)線傳輸延時,。

　　1.4CAN/CANFD轉(zhuǎn)CAN/CANFD網(wǎng)橋

　　如圖8所示，CANFDBridge是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司開發(fā)的高性能CAN/CANFD智能協(xié)議網(wǎng)橋,，集成2路CAN/CANFD可切換接口,，支持ISO標(biāo)準(zhǔn)CANFD與Bosch CANFD標(biāo)準(zhǔn)。每個接口具備獨立的2500VDC電氣隔離保護(hù)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(zhuǎn) CAN,、CAN 轉(zhuǎn)CANFD,、CANFD轉(zhuǎn) CAN、CANFD轉(zhuǎn)CANFD 等報文默認(rèn)轉(zhuǎn)換處理,。除此之外,，還提供幀映射、合并和拆分等特殊轉(zhuǎn)換處理,。用戶可自由設(shè)定 CAN(FD)報文的轉(zhuǎn)發(fā)映射,、組包拆包等規(guī)則，滿足自身應(yīng)用需求,。

　　圖 8  CAN FD網(wǎng)橋

　　1.5CANScope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(wǎng)絡(luò)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(guān)聯(lián),；重新定義CAN總線的開發(fā)測試方法,，可對CAN網(wǎng)絡(luò)通信正確性、可靠性,、合理性進(jìn)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(yīng)用的各種問題,。

　　圖 9  CANScope分析儀