CAN总线传播延迟过大导致通信异常现象解析

 

本文导读

在CAN总线系统中，传播延迟过大是引发通信故障的关键诱因之一，可能会导致仲裁异常，使优先级高的信号无法正常优先传输，破坏通信秩序；可能会造成应答错误，使发送节点难以在应答隙内接收到有效应答信号，影响数据传输确认机制；也可能会引发数据采样错误，导致发送与接收位不一致，产生位错误。

本文将在不考虑其它影响下，对传播延迟过大造成的应答错误现象进行详细解析。

 

 

相关定义

1、传播延迟定义：传播延迟是所有类型的传输媒体都存在的一种特性。以简单双节点网络模型（如图1所示）为例，传播延迟包括终端收发器及其附件的延迟时间与线缆的延迟时间。

Node A到Node B的传播延迟=0.2+10+0.1=10.3

Node B到Node A的传播延迟=0.2+10+0.1=10.3

图1  简单双节点网络模型

2、ACK延迟定义：

CAN总线网络中，当一个节点按照CAN协议要求发送完数据后，其它节点都会回应ACK，但是受传播延迟及控制器响应快慢的影响，发送节点一般不能在预期的时刻收到接收节点回应的ACK，而实际回应ACK时刻和预期时刻间的差值，我们称之为ACK延迟时间。

以简单双节点网络模型（如图2所示）为例，测量方法如下：

以发送节点TX位流中最后一个下降沿为起始时刻T0；

经历n个位时间（）后，找到TX预期收到ACK开始边沿的时刻T1；

从发送节点RX位流中找到实际收到ACK开始边沿的时刻T2，计算∆T=T2-T0；

ACK延迟计算公式：。

图2 ACK延迟测量原理

 

3、ACK延迟和传播延迟的关联：如图3所示，ACK延迟由三部分组成：

• 阴影1：发送节点TX到接收节点RX的传播延迟；
• 阴影2：接收节点控制器发送ACK前的元件响应时间；
• 阴影3：接收节点TX到发送节点RX的传播延迟。

结合ACK延迟计算公式，上述三部分之和即为ACK延迟，因此ACK延迟包含了双向的传播延迟和控制器响应时间。

图3  ACK延迟和传播延迟关系图

注：

1、选择ACK前的下降沿作为参考点，是因为下降沿落在接收节点同步段外时会触发重同步，可减少波特率误差积累对结果的影响。

2、本章节内的解析均以简单双节点CAN网络模型为例，所以从ACK开始边沿开始计算延时，较好理解。若在多节点的CAN网络中，因为无法看到最晚节点开始回应ACK的时间，所以以ACK的结束边沿进行传播延时的计算。

3、受接收节点重同步影响，ACK起始回应时间存在0~1TQ偏差，因此可能比标准值小0~1TQ。

 

传播延迟过大的影响

如图 4所示，ZPS-CANFD设备与USBCANFD卡组网后，USBCANFD卡以500K bps的波特率（采样点80%）在线缆很短的情况发送数据给ZPS，然后通过ZPS软件中报文接收列表可以看到，没有错误帧产生。

图4  传播延迟很小时现象将线缆换为100m，ZPS-CANFD设备与USBCANFD卡组网后，USBCANFD卡以相同的波特率参数发送数据给ZPS，然后从ZPS软件中报文接收列表看到有很多错误帧产生，如图 5所示。

图5  传播延迟很大时现象

 

对比两次报文接收列表关联的波形数据可以看出，当ZPS报出应答定界符错误时，本应该是隐性位的应答定界符位却显示了显性位，不符合CAN规范要求，所以导致了错误帧的产生。那么为什么应答定界符位显示了显性位呢？下面我们对其进行详细的解析。

1、传播延迟过大为什么会产生错误帧？

如图 6所示，从DUT-TX波形可以知道DUT在TA时刻开始等待ZPS回应的ACK，从DUT-RX的波形可以知道在TB时刻，DUT开始收到ZPS回应的ACK，所以ACK延迟是1604ns。

前面已知DUT的采样点是80%，所以DUT应该在1600ns（2000ns×0.8）的时刻判断显隐性电平，但是由于传播延迟的影响，此时DUT-RX刚好收到ZPS回应的ACK边沿临界位置，所以会导致DUT在正确的时刻采样不到预期的显性值，从而发送了主动错误帧（6个显性错误标志位+8个隐性错误定界符位）。

正是因为DUT发送了主动错误帧，将ACK应答定界符的隐性位覆盖了，所以ZPS识别到的应答定界符位不符合CAN规范，然后报出了应答定界符错误。

图6  错误帧解析

2、如何消除因传播延迟过大导致的通信错误？

 

 

传播延迟主要是受线缆、收发器及其附件影响，如果想要减小延迟，我们可以在选型时，选择延迟较小的收发器，或者减少网络中的线缆长度，如果这些硬件环境已经固定，我们可以通过修改软件参数，来消除通信错误，比如降低波特率或采样点后移。

下面以采样点后移（采样点调整到90%）的方法为例，来细看通信错误被消除后的波形细节。

 

 

如图 7所示，从报文接收列表中，可以看到无错误帧产生，通过观察报文关联的波形，如图 8所示，M0时刻为DUT采样点位置：2000ns×0.9=1800ns，大于ACK延迟时间1604ns，所以此时DUT-RX可正确判断显隐性位，从而不会发出错误帧。

图7  采样点改为90%，无错误帧产生

图8  DUT- RX识别位正确不报错误帧

 

在上述分析环节，我们基于所获取的DUT发送（TX）与接收（RX）数据，借助ZPS的光标测量功能，手动地测量出传播延迟，帮助大家直观理解传播延迟对通信的具体影响。那在实际的现场环境中，如何快速的测量出系统的传播延迟呢？下面，我们一起看下ZPS-CANFD设备的自动化系统传播延迟评估功能测量出的结果。
 

ZPS-CANFD系统传播延迟评估

ZPS-CANFD设备的“系统传播延迟评估”功能，可自动化测量关键参数，步骤如下：

1）配置软硬件测试环境，打开评估功能并设置参数；

 

 

2）测试完成后，输出ACK偏移（延迟时间）、最大传播延迟、建议传播段长度、线缆长度等结果，如图9所示。

图9  结果展示从测量结果界面可以看到，最大ACK偏移是1607ns，最大单向传播延迟是803ns，当波特率为100k bps、采样点75%时，采样点占比（75%）远大于延迟占比（1607/10000≈16%），无通讯错误，但是若波特率提高至500k bps且采样点仍为75%，可能因延迟占比接近采样点而引发通讯错误。