CAN总线的位时序与参数设置

CAN总线的位时序与参数设置

CAN的位时序构成

CAN总线的每个位（Bit）的周期 T_bit = 1 / Baudrate。根据CAN规范，每个位的时间内又可细分成4段：

• 同步段（Synchronization Segment，T_ss）
• 传播段（Propagation Segment, T_ps）
• 相位缓冲段1（Phase Buffer Segment 1, T_pbs1）
• 相位缓冲段2（Phase Buffer Segment 2, T_pbs2）

时序计量单位

CAN控制器为了适应各种波特率，对上面四个段的时间长度，不是使用纳秒（ns）或微秒（us）来度量，而是使用节拍来度量，技术资料中将这个节拍称为时间量子（Time quantum, T_q）。

例如500k的波特率，每个T_bit是 2000ns，如果分为 10 个节拍，则每个 T_q 为 200ns。

工作流程

发送节点在每个bit中主要完成发送和回检。

接收节点在每个Bit中主要完成接收和同步。

传播段时长T_ps

传播段PS占据的时间是信号在总线上来回传输的时间。

一次单向传输的延时T_delay包括3个时间：

1. 发送节点从产生信号到发到总线的时间 T_d1；
2. 信号在总线传输的时间T_bus；
3. 接收节点从总线获取信号的时间T_d2。

按规范要求，传播段的时间T_ps应大于等于2倍T_delay的时间，即
T_ps >= 2 * T_delay = 2 * (T_d1 + T_bus + T_d2)

为什么规定是两倍时间呢？

CAN总线是一种允许竞争并自行仲裁的协议。见上面工作流程图可知，每个节点会回读自己发出的信号。

假设极端情况下，节点Node1在总线的一端发出了信号s1，总线另一端的节点Node2在 T_delay 时间之前由于尚未收到信号s1，所以可能认为总线是空闲的，那就可能往总线上发送信号s2。当然，Node2刚发出s2，总线上就产生了s1和s2的竞争，而这个竞争的情况会又经过 T_delay 的时间才被Node1感知到。

所以两倍T_delay的要求就是为了保证每个节点都能正确检测到总线上的竞争。

CAN参数设置

下面以STM32系列CPU为例，具体说明参数设置方法。

STM32 CPU的CAN与位时序相关的参数有4个：

• BRP (Baud rate prescaler)，预分频值，允许的范围是1 ~ 1024。
• TS1 (Time segment 1), 允许的范围是1 ~ 16。这个参数设置传播段（T_ps）与相位缓冲段1（T_pbs1）相加的节拍数。
• TS2 (Time segement 2), 允许的范围是1 ~ 8。这个参数设置相位缓冲段2（T_pbs2）的节拍数。
• SJW(Resynchronization jump width), 重同步宽度，允许的范围是1 ~ 4。用于设置T_pbs1和T_pbs2可以调整的节拍数。

1. BRP的参数设置

BRP用于将APB的时钟（其他CPU可能直接使用晶振时钟）分频到CAN时钟。CAN时钟的每个周期就是前面说过的节拍或时间量子（T_q）

BRP的值由基频（APB时钟）频率 F_clk、波特率 Baudrate 和每个 Bit 的节拍数 Q 决定。
BRP = F_clk / (Q * Baudrate)

从STM32寄存器参数允许范围来说，Q 的数量可以在 3 ~ 25 之间（见 TS1 和 TS2 的范围），但从同步调整的有效性来说，最好在 6 ~ 25 之间。
例如，APB 时钟 24M，波特率 500k，如果 Q 取 6 ~ 25之间的整数值，则BRP可以使用的值有：2、3、4、6、8。

Q的大小与通讯质量是有关系的。个人觉得只要寄存器 TS1 和 TS2 的数值允许，Q 值应该尽量大一点。Q 值越小，本地在同步调整时的变化就越大（不稳定）。
以 500k 波特率（T_bit = 2000ns）来说，如果 Q = 25，则每拍时长T_q = 80ns，也就是接收侧可以将同步的位置前后最小变动80ns；而如果Q=5，则每拍时长T_q = 400ns，意味着接收侧对同步位置的调整至少是400ns。那很可能这次调快了，而后一次又调慢了，这会导致通讯质量明显下降。
对最极端的 Q = 3来说（TS1=1，TS2=1），这样的时序分配导致几乎不具备重同步的能力。

2. TS1和TS2的参数设置

TS1和TS2的参数设置，就是将 Q 分配给位时序中 3个段：PS、PBS1 和 PBS2 （SS段永远占据一拍，不商量）。
Q = 1 + Tps + Tpbs1 + Tpbs2

1. 计算传输段时长T_ps
   T_ps的长度根据设备性能和总线长度决定，通常总线单位延时可按5.5ns/米估算。单个节点收/发延时按75ns估算。
   假定总线长度12米，则T_ps = 2 * ( 12 * 5.5 + 75 * 2) = 432ns，然后根据上一步的Q值，计算出 T_q 的时间，再根据 T_q 和延时时间，计算 T_ps 需要的节拍数。
   例如：当T_q = 125ns时，432ns延时需要的节拍数 = 432 / 125，向上取整得到4。

2. 计算相位补偿段1时长 T_pbs1 和 相位补偿段2时长 T_pbs2
   将Q值减1，再减掉 T_ps 的节拍数，剩余的节拍数由 T_pbs1 和 T_pbs2 平分。如果剩余节拍是奇数，则 T_pbs1 比 T_pbs2 少一拍。

3. 计算TS1和TS2的值
   TS1 等于 T_ps 和 T_pbs1 的节拍数相加。
   TS2 等于 T_pbs2 的值。

3. SJW的参数设置

SJW比较简单，取 (TS2 - 1) 和 4 两个数字中小的那个。即 SJW = min(TS2-1, 4)。

将上面的例子：基频24M，CAN总线波特率 500k，传输延时 432ns，各种不同Q值下，各参数计算过程列表如下：

BRP	Q	Tq(ns)	SS	Tps	剩余	Tpbs1	Tpbs2	TS1	TS2	SJW
2	24	83.3	1	6	17	9	8	15	8	4
3	16	125.0	1	4	11	5	6	9	6	4
4	12	166.7	1	3	8	4	4	7	4	3
6	8	250.0	1	2	5	2	3	4	3	2
8	6	333.3	1	2	3	1	2	3	2	1

最后，很重要的一点
如果直接设置STM32的寄存器，上面BRP、TS1、TS2和SJW的数值，全都需要减1后写入寄存器（见STM32 Reference Manual中相关寄存器的说明）；
如果使用STM提供的驱动程序，则直接使用BRP、TS1、TS2和SJW的数值初始化驱动的结构体。