CAN标准中的时钟容差修正建议

　　CAN是事件触发的通信协议，它用标识符(ID)的无损仲裁方法调度不同消息的传送。仲裁依靠的是位值，因此位值采样准确性很重要。为在所有节点得到相同的准确的采样，位时间的同步就是关键。正常传送中也要克服节点间时钟差造成的采样点变动，减少读出时的错误。但是位时间能否实现同步，取决于时钟的偏差。为此CAN标准规定了时钟容差的计算方法。现在发现，标准规定的计算公式不够用，它会影响应用的可靠性。特别是汽车工业常用的标准儿939是基于CAN 2.0B的，时钟容差对CAN 2.OB的影响较大，因此对此加以修正非常重要。对于标准的完整理解不仅与应用有直接关系，对进一步提高CAN性能也会有新的启示。

　　1 ISO 1 1898-1：2003关于时钟容差的规定

　　ISO 11898-1：2003第12.4.1.2款规定位时间单位为Tq，它是可组态的参数。1位共有NTQ(8～25)个Tq，Tq由振荡器分频而得，受硬件的振荡器与分频器资源所限，其选择有限。每1位分成4段：同步段S(Tq)、传输段Pr(Tq～8Tq)、缓冲1段P1(Tq～8Tq)和缓冲2段P2(Tq～8 Tq)，它们都是可组态的参数。位值的采样在P1与P2的分界处。CAN将同步分为2种：硬同步和重同步。总线空闲时开始新帧SOF的隐位到显位的跳变沿(R/D跳变沿)引起硬同步，立即复位本地位时间到S段。在帧传送中的R/D跳变沿引起重同步，跳变沿落在上一位采样后的P2段时将该P2缩短，跳变沿落在S后时加长本位P1的长度，此时本地位时间修正的最大绝对量不超过SJW(重同步跳转宽度)的值。SJW是1个组态参数，在Tq～4 Tq之间。关于CAN位时间与同步的一些较为深入的探讨可参见参考文献。

　　在CAN标准中，采用振荡器容差这一术语来代表时钟容差。实际实现时，有的实现方案用振荡器加锁相环构成时钟，此时CAN的时钟偏差就由2部分构成。为了与标准文字一致，本文不把时钟容差与振荡器容差严格区分。将振荡器的频率相对误差表示为△，时，按ISO11898-1的12.4.2.5款规定，它的约束有2条。

　　①正常传送时由于CAN填充位规则，重同步的距离最多为10位。为同步正确，有：

　　(2×△f)×10×NBTSJW (1)

　　其中，NBT为标称位时间。

　　②出错时，有错的节点要发报错帧。为了区分是本地错还是全局错，要考察发出主动报错标志后的第7位是否还是显位。由于出错前可能有6位显位，所以2个同步段S相隔13位。容许的差小于缓冲段长：

　　(2×△f)×(13×NBT-P2)MIN(P1，P2) (2)

　　在2个不等式中选最小者为本应用的时钟容差。例如Tbit=1 000 ns，总线长20 m，收发器的延迟为150 ns时，整个传输延迟为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分别为0.006 25和0.004 90，取其中小者0.004 90，即接近0.5%。

　　2 发送器时钟同步中产生的问题

　　CAN总线具有显位优先于隐位的特性，即当总线上有多个节点同时发送时，只要有1个节点发的是显位，总线上最终的结果就是显位。所以当2个相距有一定距离的节点同时发送显位时，由于传输需要时间，在一个节点处看不到另一个节点的R/D跳变沿(如图1所示，e为同步的相位差)，因为总线的电平早已被该节点置为显位。

　　在这种情况下，节点A、B即使时钟有差别，也无法建立同步。设A比B快，仅当节点A的同步段S比节点B的同步段S越来越超前，且其超前量大于传输时间时，节点B才能看见A的R/D跳变沿，B才会开始进行同步。

　　现在分析2个发送器在仲裁区的同步问题。假定它们看到总线空闲并同时开始发送，它们的ID只是最后1位不同。有文献介绍发送节点同步过程时，假定总线空闲时有1个发送器领先于其他发送器，且超过Pr/2段发送的情况。由于事件发生的随机性，这只是特例。对于定时消息，它们由本节点的时钟触发。但本地时钟问并无同步，它们之间又存在频率差异，所以定时消息规定应发出的时间的相位差会周期性地变化。1个发送器领先所有其他发送器的情况也只是特例。在本文假设下，由于在ID前各位出现的R/D跳变沿均未被对方看见，它们之间没有同步关系。到最后1位，假定时钟慢的节点有显位而时钟快的节点有隐位，并假定ID前1位是隐位，那么慢节点的R/D跳变沿将可能被快的节点看到。但是，它将有很大的相位差，可能已经超过了重同步跳转宽度SJW，从而无法使该快节点正确同步，便会导致采样在慢节点送来的电平尚未稳定的地方产生位值读错。

　　在CAN 2.0B的29位ID的最后1位，即仲裁域的第31位，由于可能还有7个填充位，即已有37位未进行同步。为了采样正确，未同步时快慢发送节点同步段的差应小于重同步跳转宽度SJW：

　　(2×△f)×37×NBT≤SJW (3)

　　以前述例子的数据，NBT=8，SJW=1，得△f≤0.001 68，减小了很多。