位定时与同步

1.位时间

1.1相关基本概念

• 1）系统时钟：记为$t_{clk}$；

• 2）CAN时钟周期：CAN时钟是由系统时钟分频而来的一个时间长度值，表示CAN控制器的工作时钟，实际上就是一个时间份额$t_Q$。可以按照下面的公式计算：

  • 时间份额$t_Q$：1. CAN控制器的一个时钟周期
    2. CAN控制器工作的最小时间单位

• 3）BRP：叫做波特率预分频值（baud rate prescaler）；
  由前面的图可知，上述三者存在以下的公式关系：
  $$t_Q=t_{clk}\times BRP$$
  注意：可以在网络上看到一些博客把上述公式记为：$t_Q=t_{clk}\times (BRP+1)$。实际上分频值是存在一个寄存器里面的，且从0开始，这里是取得BRP的值为该寄存器里面的实际值，也是对的，至于这两种写法谁更标准，可能需要去翻阅相关官方文档。

• 4） 位时间：位时间表示一个二进制位在总线上传输时所需要的时间。如上图所示，在本文中，则指的是CAN通信的位时间。
  • 一个位可以分为四个时间段；
  • 每个段 又由若干个$t_Q$构成，位时间大概包含8~25$t_Q$；
  • $波特率=\frac{1}{位时间}$

1.2 位时间分段

• 1）同步段（Synchronization Segment）

  • 固定长度为一个$t_Q$
  • 一个位的传输时从同步开始的；
  • 同步段用于同步总线上的各个节点，多个连接在总线上的单元通过此段实现时序调整，从而能同步进行接收和发送的工作，一个位的跳变沿在此时间段内；

• 2）传播段（Propagation Segment）(记为$t_{Prop}$)

  • 传播段时长可编程（1~8个时间份额$t_Q$）。
  • 传播段用于补偿报文在总线和节点上传输时所产生的时间延迟；
  • 传播段时长 $\ge 2\times$ 报文在总线和节点上传输时产生的时间延迟；

  传播延时：
  
  其中，发送单元的输出延迟接收单元的输入延迟分别表示CAN收发器到CAN控制器之间的延时。
  在CAN网络上，两个节点之间进行通信，CAN报文首先从控制节点的控制器发出，经过CAN收发器发送到总线上，再通过一段距离的传输，到达接收节点的CAN收发器CAN控制器，最后接收节点发出ACK显性应答位，重复上述过程到达发送节点，可以看到一次单向传输的延迟包括发送单元的输出延迟，总线上信号传播延迟，接收单元的输入延迟。

• 3）相位缓冲段1（Phase Buffer Segment1）和 相位缓冲段2（Phase Buffer Segment2）

  • 用于补偿总线上的边沿相位误差；
  • 用于补偿节点间的晶振误差；
  • 允许通过重同步延长PBS1或缩短PBS2从而补偿同步误差（因为时钟的偏差，传送延迟等，各单元会有同步误差）；
  • PBS<PBS2
  • 在PBS1时间段的末端进行总线状态的采样；
  • 长度可编程：PBS1为1_{8$t_Q$、PBS2为2}8$t_Q$

  同步跳转宽度SJW(reSynchronization Jump Width)
  a. SJW是相位缓冲段PBS1和PBS2调整的最大值。
  b. SJW的值可以通过编程从1~4中取值。
  c. SJW的值 ≤ min ⁡ { P B S 1 , P B S 2 } \le\min\{PBS1,PBS2\} ≤min{PBS1,PBS2}
  d. 由于PBS1>PBS2，加上前面b和c，进一步可以推导出：1$\le$SJW的值 ≤ min ⁡ { P B S 1 , 4 } \le\min\{PBS1,4\} ≤min{PBS1,4}。
  问题:对于SJW的值，为什么只能取1~4，还是很疑惑。

• 4）采样点（Sample Point）

  • 采样点一般位于相位缓冲段1之后，采样点是读取总线电平，并解释各位的值的一个时间点，采样点对CAN总线来说也非常重要，尤其在组网的时候，多个节点尽量保持同一个采样点，且最好在但不超过7/8位时间点上。

1.3 总线分段

CAN从总线采用的是一部串行通信，为了保证报文的接收节点能在正确的采样点采集到准确的点评，因此采用了总线同步的机制，CAN的同步则包括了硬同步和重同步。

同步规则：
a. 一个位时间内只允许一种同步方式；
b. 任何一个“隐性”到“显性”的跳变都可用于同步。

• 1）硬同步
  
  硬同步发生在SOF位，所有接收节点调整各自当前位的同步，调整宽度不限，使其位于发送的SOF内。

  例子：
  
  当总线出现帧起始信号时，某节点检测到帧起始信号不在节点内部时序的SS段范围，所以判断它自己的内部时序与总线不同步，因而这个状态的采样点采集得得数据是不正确的。所以节点以硬同步的方式调整，把字节的为时序中的SS段平移至总线下出现下降沿的部分，获得同步，同步后采样点就可以采集得到正确的数据了。

  从这个例子也可以看出，硬同步只是在SOF时起作用，并不能确保后续的CAN帧的位时序都是同步的。那么后续CAN帧的位时序同步都是怎么保证的呢，此时就需要引入重同步了。

• 2）重同步
  重同步是指，接收节点检测出出了SOF位意外的其他位，通过调整位时序进行的同步调整。重同步会通过加长PBS1或者PBS2来调整同步，从而保证采样点的准确。

  例子1：
  
  当发送端跳变沿落比接收端跳变沿晚两个$t_Q$，则接收端节点的PBS1应该延长两个$t_Q$，则可使得发送端和接收端的采样点对齐。

  例子2：
  
  当发送端跳变沿落比接收端跳变沿早两个$t_Q$，则接收端节点的PBS2应缩短两个$t_Q$，那么接收端的下一个位时间中，采样点可以提前两个$t_Q$，从而使得发送和接收端的下一位采样点能够同步。