优化CAN节点位时序以适应数字隔离器传播延迟

控制器局域网（CAN）由ISO 11898标准定义，广泛用于工业和汽车应用中。CAN协议（比如DeviceNet或CANOpen）依赖内置的错误检查和差分信号采样。电流隔离可进一步增强鲁棒性，能够抗高压瞬变，但会增加传播延迟。CAN节点经过优化配置，哪怕存在隔离时也具有最大数据速率和传送距离。

为什么传播延迟很重要

传播延迟会影响节点间的并发传输和仲裁。冲裁依赖于CAN信号发送；逻辑0表示“主动”（总线间的差分电压），逻辑1表示“被动”（全部输出为高阻抗），意味着主动位将覆盖被动位。发射时，所有节点监控总线；而发射被动位时则停止，从而允许另一个节点赢得仲裁（图1中的节点A）。

图1.两个节点间的仲裁

传播延迟不可过大，否则可能在其他节点传播主动状态之前会监控总线状态。对于图2中的节点A和节点B，往返时间很关键；该时间等于TPropAB加TPropBA，或者等于通过电缆和收发器延迟时间的两倍，包括隔离（如有）。相比光耦合器，数字隔离器可降低传播延迟，但系统允许的总传播延迟是固定的，因此加入隔离可能会降低最大电缆距离。

图2.带传播延迟的仲裁

传播延迟补偿

若要补偿隔离引起的传播延迟，可调节特定的CAN控制器参数。首先为CAN控制器时钟设置波特率预分频器（BRP）值，该值定义划分位时间的“时间量子”（TQ）。它们适用于3或4段，如图3所示；一个用来同步，另外数个用于传播延迟（PROP）以及相位段1和2（PS1和PS2）。PS2和总TQ表示采样点位置。

第一步：匹配时钟、预分频器和数据速率

对于给定的数据速率来说，第一步是检查如何组合时钟和BRP，才能让TQ等于整数。1 Mbps示例如表1所示。该例采用ADI ADSP-BF548 Blackfin微处理器，内置CAN控制器。采用典型系统时钟（fsclk）值，TQ整数值以粗体显示（用于1 Mbps的有效时钟/BRP组合）。

表1.用于1 Mbps的时钟和BRP组合

第二步：位段配置

下一步是定义位段，并将采样点设得尽可能晚。对于表1中的每一个有效选项，SYNC段必须允许有一个TQ，并且TSEG2 （PS2）段必须适应CAN控制器处理时间（只要BRP大于4，BF548就要低于1 TQ）。TSEG1 （PROP + PS1）为16 TQ（最大值）。

图3. 1 Mbps时最大传播延迟的可能BF548位段

第三步：计算总线长度

图3显示1 Mbps的尽可能最新采样点时，ADSP-BF548的可能配置。除5 TQ总和外的所有配置均为至少85%采样点，但10 TQ时可达最佳值，此时要求fsclk = 50 MHz且BRP = 5.

最后一步是确定最优配置下的最大传播延迟，并决定所选CAN收发器/隔离的可能电缆长度。对于图4中处理器的最佳配置，可能的最大传播延迟为900 ns.

图4.采用ADM3053的隔离式CAN节点，集成isoPower

图1中的ADI ADM3053集成CAN收发器、数字隔离器和隔离式电源。250 ns环路延迟包括隔离器延迟（两个节点为500 ns）。假定电缆传播延迟为5 ns/m，这意味着采用BF548，则总线长度可达40 m（根据ISO 11898标准的1 Mbps最大值）。

结论

隔离可增加鲁棒性，但同时也会增加发送和接收两个方向的传播延迟，并且仲裁时针对两个节点而加倍。为了补偿延迟，可针对可能的最大传播延迟配置CAN控制器。这样，就有可能实现所需的数据速率和总线长度，哪怕是隔离节点的情况下。