本文導(dǎo)讀

在CAN總線系統(tǒng)中，傳播延遲過大是引發(fā)通信故障的關(guān)鍵誘因之一，可能會(huì)導(dǎo)致仲裁異常，使優(yōu)先級(jí)高的信號(hào)無(wú)法正常優(yōu)先傳輸，破壞通信秩序；可能會(huì)造成應(yīng)答錯(cuò)誤，使發(fā)送節(jié)點(diǎn)難以在應(yīng)答隙內(nèi)接收到有效應(yīng)答信號(hào)，影響數(shù)據(jù)傳輸確認(rèn)機(jī)制；也可能會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)采樣錯(cuò)誤，導(dǎo)致發(fā)送與接收位不一致，產(chǎn)生位錯(cuò)誤。

本文將在不考慮其它影響下，對(duì)傳播延遲過大造成的應(yīng)答錯(cuò)誤現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)解析。

相關(guān)定義

1、傳播延遲定義：傳播延遲是所有類型的傳輸媒體都存在的一種特性。以簡(jiǎn)單雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型（如圖1所示）為例，傳播延遲包括終端收發(fā)器及其附件的延遲時(shí)間與線纜的延遲時(shí)間。

Node A到Node B的傳播延遲=0.2+10+0.1=10.3

Node B到Node A的傳播延遲=0.2+10+0.1=10.3

圖1 簡(jiǎn)單雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型

2、ACK延遲定義：

CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)按照CAN協(xié)議要求發(fā)送完數(shù)據(jù)后，其它節(jié)點(diǎn)都會(huì)回應(yīng)ACK，但是受傳播延遲及控制器響應(yīng)快慢的影響，發(fā)送節(jié)點(diǎn)一般不能在預(yù)期的時(shí)刻收到接收節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的ACK，而實(shí)際回應(yīng)ACK時(shí)刻和預(yù)期時(shí)刻間的差值，我們稱之為ACK延遲時(shí)間。

以簡(jiǎn)單雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型（如圖2所示）為例，測(cè)量方法如下：

以發(fā)送節(jié)點(diǎn)TX位流中最后一個(gè)下降沿為起始時(shí)刻T0；

經(jīng)歷n個(gè)位時(shí)間（）后，找到TX預(yù)期收到ACK開始邊沿的時(shí)刻T1；

從發(fā)送節(jié)點(diǎn)RX位流中找到實(shí)際收到ACK開始邊沿的時(shí)刻T2，計(jì)算?T=T2-T0；

ACK延遲計(jì)算公式：。

圖2 ACK延遲測(cè)量原理

3、ACK延遲和傳播延遲的關(guān)聯(lián)：如圖3所示，ACK延遲由三部分組成：

• 陰影1：發(fā)送節(jié)點(diǎn)TX到接收節(jié)點(diǎn)RX的傳播延遲；
• 陰影2：接收節(jié)點(diǎn)控制器發(fā)送ACK前的元件響應(yīng)時(shí)間；
• 陰影3：接收節(jié)點(diǎn)TX到發(fā)送節(jié)點(diǎn)RX的傳播延遲。

結(jié)合ACK延遲計(jì)算公式，上述三部分之和即為ACK延遲，因此ACK延遲包含了雙向的傳播延遲和控制器響應(yīng)時(shí)間。

圖3 ACK延遲和傳播延遲關(guān)系圖

注：

1、選擇ACK前的下降沿作為參考點(diǎn)，是因?yàn)橄陆笛芈湓诮邮展?jié)點(diǎn)同步段外時(shí)會(huì)觸發(fā)重同步，可減少波特率誤差積累對(duì)結(jié)果的影響。

2、本章節(jié)內(nèi)的解析均以簡(jiǎn)單雙節(jié)點(diǎn)CAN網(wǎng)絡(luò)模型為例，所以從ACK開始邊沿開始計(jì)算延時(shí)，較好理解。若在多節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)闊o(wú)法看到最晚節(jié)點(diǎn)開始回應(yīng)ACK的時(shí)間，所以以ACK的結(jié)束邊沿進(jìn)行傳播延時(shí)的計(jì)算。

3、受接收節(jié)點(diǎn)重同步影響，ACK起始回應(yīng)時(shí)間存在0~1TQ偏差，因此可能比標(biāo)準(zhǔn)值小0~1TQ。

傳播延遲過大的影響

如圖 4所示，ZPS-CANFD設(shè)備與USBCANFD卡組網(wǎng)后，USBCANFD卡以500K bps的波特率（采樣點(diǎn)80%）在線纜很短的情況發(fā)送數(shù)據(jù)給ZPS，然后通過ZPS軟件中報(bào)文接收列表可以看到，沒有錯(cuò)誤幀產(chǎn)生。

圖4 傳播延遲很小時(shí)現(xiàn)象將線纜換為100m，ZPS-CANFD設(shè)備與USBCANFD卡組網(wǎng)后，USBCANFD卡以相同的波特率參數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)給ZPS，然后從ZPS軟件中報(bào)文接收列表看到有很多錯(cuò)誤幀產(chǎn)生，如圖 5所示。

圖5 傳播延遲很大時(shí)現(xiàn)象

對(duì)比兩次報(bào)文接收列表關(guān)聯(lián)的波形數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)ZPS報(bào)出應(yīng)答定界符錯(cuò)誤時(shí)，本應(yīng)該是隱性位的應(yīng)答定界符位卻顯示了顯性位，不符合CAN規(guī)范要求，所以導(dǎo)致了錯(cuò)誤幀的產(chǎn)生。那么為什么應(yīng)答定界符位顯示了顯性位呢？下面我們對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的解析。

1、傳播延遲過大為什么會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤幀？

如圖6所示，從DUT-TX波形可以知道DUT在TA時(shí)刻開始等待ZPS回應(yīng)的ACK，從DUT-RX的波形可以知道在TB時(shí)刻，DUT開始收到ZPS回應(yīng)的ACK，所以ACK延遲是1604ns。

前面已知DUT的采樣點(diǎn)是80%，所以DUT應(yīng)該在1600ns（2000ns×0.8）的時(shí)刻判斷顯隱性電平，但是由于傳播延遲的影響，此時(shí)DUT-RX剛好收到ZPS回應(yīng)的ACK邊沿臨界位置，所以會(huì)導(dǎo)致DUT在正確的時(shí)刻采樣不到預(yù)期的顯性值，從而發(fā)送了主動(dòng)錯(cuò)誤幀（6個(gè)顯性錯(cuò)誤標(biāo)志位+8個(gè)隱性錯(cuò)誤定界符位）。

正是因?yàn)镈UT發(fā)送了主動(dòng)錯(cuò)誤幀，將ACK應(yīng)答定界符的隱性位覆蓋了，所以ZPS識(shí)別到的應(yīng)答定界符位不符合CAN規(guī)范，然后報(bào)出了應(yīng)答定界符錯(cuò)誤。

圖6 錯(cuò)誤幀解析

2、如何消除因傳播延遲過大導(dǎo)致的通信錯(cuò)誤？

傳播延遲主要是受線纜、收發(fā)器及其附件影響，如果想要減小延遲，我們可以在選型時(shí)，選擇延遲較小的收發(fā)器，或者減少網(wǎng)絡(luò)中的線纜長(zhǎng)度，如果這些硬件環(huán)境已經(jīng)固定，我們可以通過修改軟件參數(shù)，來消除通信錯(cuò)誤，比如降低波特率或采樣點(diǎn)后移。

下面以采樣點(diǎn)后移（采樣點(diǎn)調(diào)整到90%）的方法為例，來細(xì)看通信錯(cuò)誤被消除后的波形細(xì)節(jié)。

如圖7所示，從報(bào)文接收列表中，可以看到無(wú)錯(cuò)誤幀產(chǎn)生，通過觀察報(bào)文關(guān)聯(lián)的波形，如圖8所示，M0時(shí)刻為DUT采樣點(diǎn)位置：2000ns×0.9=1800ns，大于ACK延遲時(shí)間1604ns，所以此時(shí)DUT-RX可正確判斷顯隱性位，從而不會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤幀。

圖7 采樣點(diǎn)改為90%，無(wú)錯(cuò)誤幀產(chǎn)生

圖8 DUT- RX識(shí)別位正確不報(bào)錯(cuò)誤幀

在上述分析環(huán)節(jié)，我們基于所獲取的DUT發(fā)送（TX）與接收（RX）數(shù)據(jù)，借助ZPS的光標(biāo)測(cè)量功能，手動(dòng)地測(cè)量出傳播延遲，幫助大家直觀理解傳播延遲對(duì)通信的具體影響。那在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，如何快速的測(cè)量出系統(tǒng)的傳播延遲呢？下面，我們一起看下ZPS-CANFD設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)傳播延遲評(píng)估功能測(cè)量出的結(jié)果。

ZPS-CANFD系統(tǒng)傳播延遲評(píng)估

ZPS-CANFD設(shè)備的“系統(tǒng)傳播延遲評(píng)估”功能，可自動(dòng)化測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，步驟如下：

1）配置軟硬件測(cè)試環(huán)境，打開評(píng)估功能并設(shè)置參數(shù)；

2）測(cè)試完成后，輸出ACK偏移（延遲時(shí)間）、最大傳播延遲、建議傳播段長(zhǎng)度、線纜長(zhǎng)度等結(jié)果，如圖9所示。

圖9 結(jié)果展示從測(cè)量結(jié)果界面可以看到，最大ACK偏移是1607ns，最大單向傳播延遲是803ns，當(dāng)波特率為100k bps、采樣點(diǎn)75%時(shí)，采樣點(diǎn)占比（75%）遠(yuǎn)大于延遲占比（1607/10000≈16%），無(wú)通訊錯(cuò)誤，但是若波特率提高至500k bps且采樣點(diǎn)仍為75%，可能因延遲占比接近采樣點(diǎn)而引發(fā)通訊錯(cuò)誤。