CAN总线学习笔记（5）- CAN通信的位定时与同步

以你之姓@ 2023-01-06 14:57 385阅读 0赞

依照瑞萨公司的[《CAN入门书》][CAN]的组织思路来学习CAN通信的相关知识，并结合网上相关资料以及学习过程中的领悟整理成笔记。好记性不如烂笔头，加油！

# **1 位定时** #

## **1.1 比特率和波特率** ##

1) . **位速率**:又叫做**比特率（bit rata）**、**信息传输率**，表示的是单位时间内，总线上传输的**信息量**，即**每秒能够传输的二进制位的数量**，单位是bit per second。  
2）**波特率**：又叫做**传码率**、**信号传输率**，表示的是单位时间内传输的码元的数量，当两相调制时，一个码元用一个二进制位表示，此时波特率在数值上和比特率是一样的，CAN总线正是两项调制这种情况。

> Tips: **比特率**和**波特率**并不是一回事儿，这一定一定要牢记。

## **1.2 位时间** ##

### **1.2.1 位时间的概念** ###

**位时间**：表示的是一个二进制位在总线上传输时所需要的时间。  
所以：

位速率=1位时间位速率=1位时间

首先了解以下CAN总线系统中的两个时钟： **晶振时钟周期**和 **CAN时钟周期**

*  **晶振时钟周期**：是由单片机振荡器的晶振频率决定的，指的是**振荡器每震荡一次所消耗的时间长度**，也是整个系统中最小的时间单位。
 *  **CAN时钟周期**：CAN时钟是由系统时钟分频而来的一个时间长度值，实际上就是**一个时间份额Tq**。可以按照下面的公式计算：
    
    CAN时钟周期=2×晶振时钟周期×BRPCAN时钟周期=2×晶振时钟周期×BRP
    
      
    其中BRP叫做波特率预分频值（baudrate prescaler）。  
    ![位时间][70]

### **1.2.2 位时间的分段** ###

如上文所述，在CAN的位定时中，一个CAN时钟周期称为一个**时间量子** — **Tq**。  
如下图所示：位时间分为四个段：**同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2**，总共8~25个时间量子（Tq）。  
![位时间][70 1]

1）**同步段**（Synchronization Segment）：

*  长度固定，1个时间量子Tq；
 *  一个位的传输从同步段开始；
 *  同步段用于同步总线上的各个节点，一个位的跳边沿在此时间段内。

2）**传播段**（Propagation Segment）：

*  传播段用于补偿报文在总线和节点上传输时所产生的时间延迟；
 *  传播段时长 ≥ 2 × 报文在总线和节点上传输时产生的时间延迟 ；
 *  传播段时长可编程（1~8个时间量子Tq）。

3）**相位缓冲段1**（Phase Buffer Segment1）：

*  用于补偿节点间的晶振误差；
 *  允许通过重同步对该段加长；
 *  在这个时间段的末端进行总线状态的采样；
 *  长度可编程（1~8个时间量子Tq）

4）**相位缓冲段2**（Phase Buffer Segment2）：

*  用于补偿节点间的晶振误差；
 *  允许通过重同步对该段缩短；
 *  长度可编程（1~8个时间量子Tq）

于是

tBit=tSS+tPS+tPBS1+tPBS2tBit=tSS+tPS+tPBS1+tPBS2

tBit:位时间  
tSS:同步段时间  
tPS:传播段时间  
tPBS1:时间段1  
tPBS2:时间段2

# **2 CAN的同步机制** #

在CAN通信中，有两种同步机制：**硬同步**与**重同步**。

## **2.1 同步的规则** ##

☆ **一个位时间**内只允许**一种同步方式**，要么硬同步要么重同步；  
☆ 任何一个从“隐性”到“显性”的**下降沿** 都可以用于同步；  
☆ **硬同步**发生在报文的**SOF位**，所有接收节点调整各自当前位的同步段，使其位于发送的SOF位内；  
☆ **重同步**发生在一个报文**SOF位之外的其它段**，当下降沿落在了同步段之外时发生重同步；  
☆ 在SOF到仲裁场发送的时间段内，如果有多个节点同时发送报文，那么这些发送节点对跳变沿不进行重同步

## **2.2 硬同步** ##

硬同步发生在**SOF位**，所有**接收节点**调整各自**当前位的同步段**，**调整宽度不限**  
![硬同步][70 2]  
（1）发送节点Node\_A在发送SOF位时，SOF位的下降沿在SS段；  
（2）这个时候接收节点Node\_B发现自己当前位的SS段和发送节点SOF位的SS段不同步。也就是说当Node\_A产生SOF位SS段时，Node\_B的当前位的SS段已经在5个Tq之前产生了；  
（3）于是接收节点Node\_B强行将自己当前位的SS段拉到与SOF位的SS段同步。

## **2.3 重同步** ##

重同步发生在一个报文SOF位之外的其它位场内，当接收节点Node\_B当前位的下降沿落在了发送节点Node\_A当前位的同步段之外时发生重同步。  
重同步会导致**相位缓冲段1的延长**或者**相位缓冲段2的缩短**，从而保证采样点的准确。

### **2.3.1 PBS1延长** ###

发的晚（慢），收的早（块），导致PBS1延长。  
![重同步][70 3]  
如上图所示：  
（1）发送节点Node\_A比接收节点Node\_B的时间慢了，也就是说Node\_A当前位的ss段产生的时候，Node\_B 当前位的ss段已经在2个Tq之前产生了；  
（2）所以这个时候接收节点Node\_B就将PBS1延长2个Tq的时间；  
（3）于是这个时候Node\_A当前位的采样点就和Node\_B的采样点同步了。

### **2.3.2 PBS2缩短** ###

发的早（快），收的晚（慢），导致PBS2缩短。  
![重同步2][2]  
如上图所示：  
（1）发送节点Node\_A当前位的SS段诞生2Tq时长之后，接收节点Node\_B的当前位才产生SS段；  
（2）于是，接收节点Node\_B当前位的PBS2段缩短，  
（3）这样就会导致接收节点Node\_B的下一位能够提前2个Tq，从而Node\_B的下一位采样点和Node\_A下一位的采样点能够同步。

### **2.3.3 同步跳转宽度** ###

在重同步时，有个**同步跳转宽度**（SJW，Synchro Jump Width）的概念，表示的是**PBS1和PBS2重同步时允许跳转的最大宽度**。  
同步跳转宽度必须满足以下几个条件：

*  SJW必须小于PBS1和PBS2的最小值
 *  SJW最大值不能超过4

# **3 位定时参数的确定** #

位定时的参数主要涉及以下几个：  
（1）**位速率**：单位为bps、Kbps、Mbps

1Mbps=1000Kbps=1000000bps1Mbps=1000Kbps=1000000bps

（2） **位时间**：tBit，单位一般为纳秒(ns)

tBit=1位速率tBit=1位速率

（3） **时间量子Tq**：

Tq=1NBTTq=1NBT

NBT 表示的是一个位时间tBit内包含Tq的个数。  
（4） **传输延迟时间tPTS**  
CAN报文在CAN总线上的传输时，物理延迟包含两个部分：

*  在CAN-BUS上传输造成的延迟
 *  在节点上传输造成延迟  
    ![延迟时间][70 4]  
    按照CAN通信协议的规定，补偿给传播延迟的时间长度要至少等于实际实际传播延迟时长的2被，即：
    
    tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)

**需要注意的是**：

> Tips: 在CAN总线通信系统中是以时间量子Tq来度量时间的，所以如果延迟补偿时间tPTS = 3.1Tq，那么这个时候要取：tPTS = 4Tq。

（5）**相位缓冲段**  
相位缓冲段的时间长度分为两种情况：

*  1
 *  2
 *  3
 *  4
 *  5
 *  6

(6) **同步跳转宽度**

SJW=min(PBS1\_Tq,4)SJW=min(PBS1\_Tq,4)

(7) **验证晶振误差Df**  
CAN总线的晶振误差必须同时满足下面三个条件：

* Df<=SJW(2×10×NBT)Df<=SJW(2×10×NBT)
 * Df<=min(PBS1\_Tq,PBS2\_Tq)2×(13×NBT−PBS2\_Tq)Df<=min(PBS1\_Tq,PBS2\_Tq)2×(13×NBT−PBS2\_Tq)
 * Df≤1.58%Df≤1.58%

# **4 例子** #

以下面的例子来讲述位定时参数的确定方法：  
MCU晶振16MHz，位速率1Mbps，总线长度20m，单位总线延迟5ns/m，物理接口的发送接收延迟150ns

（1）晶振时钟周期：T=1s/16MHz = 62.5ns  
（2）位时间 ：tBit = 1/1Mbps = 1000ns  
（3）BPR和NBT：考虑到 T = 125ns，tBit = 1000ns，所以BPR只能取值为1，才能满足NBT∈\[8,25\],于是预分频数BPR=1；  
（4）CAN时钟周期Tq = 2 × 62.5 × 1 = 125ns  
（5）NBT = 8  
（6）传输延迟时间tPTS

tPTS=2×（20×5+150）=500nstPTS=2×（20×5+150）=500ns

所以

tPTS\_Tq=tPTSTq=500125=4tPTS\_Tq=tPTSTq=500125=4

于是NBT=8个Tq的长度中需要有4个Tq用于补偿传播延迟，于是还剩下4个Tq，  
SS同步段长度固定占据1个Tq，还剩3个Tq，于是PBS1分配一个Tq，PBS2分配2个Tq。  
（7）同步跳转宽度

SJW=min\{PBS1,4\}=1SJW=min\{PBS1,4\}=1

（8）晶振误差

* Df<=SJW(2×10×NBT)=1(2×10×8)=0.00625Df<=SJW(2×10×NBT)=1(2×10×8)=0.00625
 * Df<=min(PBS1\_Tq,PBS2\_Tq)2×(13×NBT−PBS2\_Tq)=12×(13×8−2)=0.00490

[CAN]: https://wenku.baidu.com/view/7701528a6529647d2728520f.html
[70]: /images/20221119/9c7a1489a7c146998e1c884195438dba.png
[70 1]: /images/20221119/435114cecac244afb4115f2d2375e08b.png
[70 2]: https://img-blog.csdn.net/20180414003444552?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[70 3]: https://img-blog.csdn.net/20180414013402956?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[2]: https://img-blog.csdn.net/20180414020330397?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[70 4]: https://img-blog.csdn.net/20180414024136279?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70