CAN標準中的時鐘容差修正建議

　　CAN是事件觸發的通信協議，它用標識符(ID)的無損仲裁方法調度不同消息的傳送。仲裁依靠的是位值，因此位值采樣準確性很重要。為在所有節點得到相同的準確的采樣，位時間的同步就是關鍵。正常傳送中也要克服節點間時鐘差造成的采樣點變動，減少讀出時的錯誤。但是位時間能否實現同步，取決于時鐘的偏差。為此CAN標準規定了時鐘容差的計算方法。現在發現，標準規定的計算公式不夠用，它會影響應用的可靠性。特別是汽車工業常用的標準兒939是基于CAN 2.0B的，時鐘容差對CAN 2.OB的影響較大，因此對此加以修正非常重要。對于標準的完整理解不僅與應用有直接關系，對進一步提高CAN性能也會有新的啟示。

　　1 ISO 1 1898-1：2003關于時鐘容差的規定

　　ISO 11898-1：2003第12.4.1.2款規定位時間單位為Tq，它是可組態的參數。1位共有NTQ(8～25)個Tq，Tq由振蕩器分頻而得，受硬件的振蕩器與分頻器資源所限，其選擇有限。每1位分成4段：同步段S(Tq)、傳輸段Pr(Tq～8Tq)、緩沖1段P1(Tq～8Tq)和緩沖2段P2(Tq～8 Tq)，它們都是可組態的參數。位值的采樣在P1與P2的分界處。CAN將同步分為2種：硬同步和重同步。總線空閑時開始新幀SOF的隱位到顯位的跳變沿(R/D跳變沿)引起硬同步，立即復位本地位時間到S段。在幀傳送中的R/D跳變沿引起重同步，跳變沿落在上一位采樣后的P2段時將該P2縮短，跳變沿落在S后時加長本位P1的長度，此時本地位時間修正的最大絕對量不超過SJW(重同步跳轉寬度)的值。SJW是1個組態參數，在Tq～4 Tq之間。關于CAN位時間與同步的一些較為深入的探討可參見參考文獻。

　　在CAN標準中，采用振蕩器容差這一術語來代表時鐘容差。實際實現時，有的實現方案用振蕩器加鎖相環構成時鐘，此時CAN的時鐘偏差就由2部分構成。為了與標準文字一致，本文不把時鐘容差與振蕩器容差嚴格區分。將振蕩器的頻率相對誤差表示為△，時，按ISO11898-1的12.4.2.5款規定，它的約束有2條。

　　①正常傳送時由于CAN填充位規則，重同步的距離最多為10位。為同步正確，有：

　　(2×△f)×10×NBTSJW (1)

　　其中，NBT為標稱位時間。

　　②出錯時，有錯的節點要發報錯幀。為了區分是本地錯還是全局錯，要考察發出主動報錯標志后的第7位是否還是顯位。由于出錯前可能有6位顯位，所以2個同步段S相隔13位。容許的差小于緩沖段長：

　　(2×△f)×(13×NBT-P2)MIN(P1，P2) (2)

　　在2個不等式中選最小者為本應用的時鐘容差。例如Tbit=1 000 ns，總線長20 m，收發器的延遲為150 ns時，整個傳輸延遲為Tprop=500 ns，取Tq=125 ns，算出Pr=4，P1=1，P2=2，SJW=1，NBT=8。由上述二式算出的△f分別為0.006 25和0.004 90，取其中小者0.004 90，即接近0.5%。

　　2 發送器時鐘同步中產生的問題

　　CAN總線具有顯位優先于隱位的特性，即當總線上有多個節點同時發送時，只要有1個節點發的是顯位，總線上最終的結果就是顯位。所以當2個相距有一定距離的節點同時發送顯位時，由于傳輸需要時間，在一個節點處看不到另一個節點的R/D跳變沿(如圖1所示，e為同步的相位差)，因為總線的電平早已被該節點置為顯位。

　　在這種情況下，節點A、B即使時鐘有差別，也無法建立同步。設A比B快，僅當節點A的同步段S比節點B的同步段S越來越超前，且其超前量大于傳輸時間時，節點B才能看見A的R/D跳變沿，B才會開始進行同步。

　　現在分析2個發送器在仲裁區的同步問題。假定它們看到總線空閑并同時開始發送，它們的ID只是最后1位不同。有文獻介紹發送節點同步過程時，假定總線空閑時有1個發送器領先于其他發送器，且超過Pr/2段發送的情況。由于事件發生的隨機性，這只是特例。對于定時消息，它們由本節點的時鐘觸發。但本地時鐘問并無同步，它們之間又存在頻率差異，所以定時消息規定應發出的時間的相位差會周期性地變化。1個發送器領先所有其他發送器的情況也只是特例。在本文假設下，由于在ID前各位出現的R/D跳變沿均未被對方看見，它們之間沒有同步關系。到最后1位，假定時鐘慢的節點有顯位而時鐘快的節點有隱位，并假定ID前1位是隱位，那么慢節點的R/D跳變沿將可能被快的節點看到。但是，它將有很大的相位差，可能已經超過了重同步跳轉寬度SJW，從而無法使該快節點正確同步，便會導致采樣在慢節點送來的電平尚未穩定的地方產生位值讀錯。

　　在CAN 2.0B的29位ID的最后1位，即仲裁域的第31位，由于可能還有7個填充位，即已有37位未進行同步。為了采樣正確，未同步時快慢發送節點同步段的差應小于重同步跳轉寬度SJW：

　　(2×△f)×37×NBT≤SJW (3)

　　以前述例子的數據，NBT=8，SJW=1，得△f≤0.001 68，減小了很多。