轉：CAN總線學習筆記（5）- CAN通信的位定時與同步

轉自：https://blog.csdn.net/weixin_40528417/article/details/79936476

依照瑞薩公司的《CAN入門書》的組織思路來學習CAN通信的相關知識，並結合網上相關資料以及學習過程中的領悟整理成筆記。好記性不如爛筆頭，加油！

1 位定時

1.1 比特率和波特率

1) . 位速率:又叫做比特率（bit rata）、信息傳輸率，表示的是單位時間內，總線上傳輸的信息量，即每秒能夠傳輸的二進制位的數量，單位是bit per second。
2）波特率：又叫做傳碼率、信號傳輸率，表示的是單位時間內傳輸的碼元的數量，當兩相調製時，一個碼元用一個二進制位表示，此時波特率在數值上和比特率是一樣的，CAN總線正是兩項調製這種情況。

Tips: 比特率和波特率並不是一回事兒，這一定一定要牢記。

1.2 位時間

1.2.1 位時間的概念

位時間：表示的是一個二進制位在總線上傳輸時所需要的時間。
所以：

位速率=1位時間位速率=1位時間

首先了解以下CAN總線系統中的兩個時鐘：晶振時鐘週期和CAN時鐘週期

• 晶振時鐘週期：是由單片機振盪器的晶振頻率決定的，指的是振盪器每震盪一次所消耗的時間長度，也是整個系統中最小的時間單位。
• CAN時鐘週期：CAN時鐘是由系統時鐘分頻而來的一個時間長度值，實際上就是一個時間份額Tq。可以按照下面的公式計算：
  
  CAN時鍾周期=2×晶振時鍾周期×BRPCAN時鐘週期=2×晶振時鐘週期×BRP
  
  其中BRP叫做波特率預分頻值（baudrate prescaler）。
  

1.2.2 位時間的分段

如上文所述，在CAN的位定時中，一個CAN時鐘週期稱爲一個時間量子 — Tq。
如下圖所示：位時間分爲四個段：同步段、傳播段、相位緩衝段1、相位緩衝段2，總共8~25個時間量子（Tq）。

1）同步段（Synchronization Segment）：

• 長度固定，1個時間量子Tq；
• 一個位的傳輸從同步段開始；
• 同步段用於同步總線上的各個節點，一個位的跳邊沿在此時間段內。

2）傳播段（Propagation Segment）：

• 傳播段用於補償報文在總線和節點上傳輸時所產生的時間延遲；
• 傳播段時長 ≥ 2 × 報文在總線和節點上傳輸時產生的時間延遲 ；
• 傳播段時長可編程（1~8個時間量子Tq）。

3）相位緩衝段1（Phase Buffer Segment1）：

• 用於補償節點間的晶振誤差；
• 允許通過重同步對該段加長；
• 在這個時間段的末端進行總線狀態的採樣；
• 長度可編程（1~8個時間量子Tq）

4）相位緩衝段2（Phase Buffer Segment2）：

• 用於補償節點間的晶振誤差；
• 允許通過重同步對該段縮短；
• 長度可編程（1~8個時間量子Tq）

於是

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

tBit:位時間
tSS:同步段時間
tPS:傳播段時間
tPBS1:時間段1
tPBS2:時間段2

2 CAN的同步機制

在CAN通信中，有兩種同步機制：硬同步與重同步。

2.1 同步的規則

☆ 一個位時間內只允許一種同步方式，要麼硬同步要麼重同步；
☆ 任何一個從“隱性”到“顯性”的下降沿 都可以用於同步；
☆ 硬同步發生在報文的SOF位，所有接收節點調整各自當前位的同步段，使其位於發送的SOF位內；
☆ 重同步發生在一個報文SOF位之外的其它段，當下降沿落在了同步段之外時發生重同步；
☆ 在SOF到仲裁場發送的時間段內，如果有多個節點同時發送報文，那麼這些發送節點對跳變沿不進行重同步

2.2 硬同步

硬同步發生在SOF位，所有接收節點調整各自當前位的同步段，調整寬度不限

（1）發送節點Node_A在發送SOF位時，SOF位的下降沿在SS段；
（2）這個時候接收節點Node_B發現自己當前位的SS段和發送節點SOF位的SS段不同步。也就是說當Node_A產生SOF位SS段時，Node_B的當前位的SS段已經在5個Tq之前產生了；
（3）於是接收節點Node_B強行將自己當前位的SS段拉到與SOF位的SS段同步。

2.3 重同步

重同步發生在一個報文SOF位之外的其它位場內，當接收節點Node_B當前位的下降沿落在了發送節點Node_A當前位的同步段之外時發生重同步。
重同步會導致相位緩衝段1的延長或者相位緩衝段2的縮短，從而保證採樣點的準確。

2.3.1 PBS1延長

發的晚（慢），收的早（塊），導致PBS1延長。

如上圖所示：
（1）發送節點Node_A比接收節點Node_B的時間慢了，也就是說Node_A當前位的ss段產生的時候，Node_B 當前位的ss段已經在2個Tq之前產生了；
（2）所以這個時候接收節點Node_B就將PBS1延長2個Tq的時間；
（3）於是這個時候Node_A當前位的採樣點就和Node_B的採樣點同步了。

2.3.2 PBS2縮短

發的早（快），收的晚（慢），導致PBS2縮短。

如上圖所示：
（1）發送節點Node_A當前位的SS段誕生2Tq時長之後，接收節點Node_B的當前位才產生SS段；
（2）於是，接收節點Node_B當前位的PBS2段縮短，
（3）這樣就會導致接收節點Node_B的下一位能夠提前2個Tq，從而Node_B的下一位採樣點和Node_A下一位的採樣點能夠同步。

2.3.3 同步跳轉寬度

在重同步時，有個同步跳轉寬度（SJW，Synchro Jump Width）的概念，表示的是PBS1和PBS2重同步時允許跳轉的最大寬度。
同步跳轉寬度必須滿足以下幾個條件：

• SJW必須小於PBS1和PBS2的最小值
• SJW最大值不能超過4

3 位定時參數的確定

位定時的參數主要涉及以下幾個：
（1）位速率：單位爲bps、Kbps、Mbps

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

NBT 表示的是一個位時間tBit內包含Tq的個數。
（4）傳輸延遲時間tPTS
CAN報文在CAN總線上的傳輸時，物理延遲包含兩個部分：

• 在CAN-BUS上傳輸造成的延遲
• 在節點上傳輸造成延遲
  
  按照CAN通信協議的規定，補償給傳播延遲的時間長度要至少等於實際實際傳播延遲時長的2被，即：
  
  tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)

需要注意的是：

Tips: 在CAN總線通信系統中是以時間量子Tq來度量時間的，所以如果延遲補償時間tPTS = 3.1Tq，那麼這個時候要取：tPTS = 4Tq。

（5）相位緩衝段
相位緩衝段的時間長度分爲兩種情況：

if (NBT-1-tPTS_Tq)/2==偶數
    PBS1_Tq = PBS2_Tq = (NBT-1-tPTS_Tq)/2
else
    PBS1_Tq = (NBT-1-tPTS_Tq)/2
    PBS2_Tq = PBS1_Tq + 1

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6

(6) 同步跳轉寬度

SJW=min(PBS1_Tq,4)SJW=min(PBS1_Tq,4)

(7) 驗證晶振誤差Df
CAN總線的晶振誤差必須同時滿足下面三個條件：

• Df<=SJW(2×10×NBT)Df<=SJW(2×10×NBT)

4 例子

以下面的例子來講述位定時參數的確定方法：
MCU晶振16MHz，位速率1Mbps，總線長度20m，單位總線延遲5ns/m，物理接口的發送接收延遲150ns

（1）晶振時鐘週期：T=1s/16MHz = 62.5ns
（2）位時間 ：tBit = 1/1Mbps = 1000ns
（3）BPR和NBT：考慮到 T = 125ns，tBit = 1000ns，所以BPR只能取值爲1，才能滿足NBT∈[8,25],於是預分頻數BPR=1；
（4）CAN時鐘週期Tq = 2 × 62.5 × 1 = 125ns
（5）NBT = 8
（6）傳輸延遲時間tPTS

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

（8）晶振誤差

• Df<=SJW(2×10×NBT)=1(2×10×8)=0.00625Df<=SJW(2×10×NBT)=1(2×10×8)=0.00625