Cálculo da sincronização de bits da rede CAN. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Ao utilizar a interface CAN, um grande problema está relacionado à configuração da velocidade de transmissão e recepção das informações no módulo CAN do microcontrolador. O artigo descreve os princípios gerais desta instalação de acordo com a especificação da Bosch. Como exemplo, são fornecidas as fórmulas básicas para calcular os valores dos parâmetros gravados nos registros de controle dos módulos CAN dos microcontroladores ARM LPC23xx e STM32F103, e um programa desenvolvido pelo autor que ajuda a escolher a melhor opção é considerado.

A interface CAN (rede de área do controlador) teve seu início em meados dos anos 80 do século passado pela empresa alemã Robert Bosch Gmbh, que a criou como um meio econômico para integrar controladores que controlam sistemas de veículos em uma rede de informações. O fato é que, à medida que a tecnologia automotiva melhorou, também melhoraram os componentes eletrônicos que controlam o motor, a caixa de câmbio e outros mecanismos. Isso levou ao fato de que dezenas de fios de sensores e atuadores, bem como fios conectando diferentes blocos entre si, começaram a se estender para cada unidade eletrônica do carro. Tudo isso não apenas tornou o carro mais pesado, mas também afetou sua confiabilidade, segurança e facilidade de manutenção.

Com a difusão dessa interface, redes semelhantes passaram a ser utilizadas em outras áreas, em especial, para automação de processos tecnológicos. A alta confiabilidade da proteção de informações contra distorções ao trabalhar em condições adversas e uma taxa de transmissão suficientemente alta (até 1 Mbps) possibilitaram o uso do cAn em locais diferentes de sua finalidade original. A confiabilidade da rede é garantida pela presença de mecanismos desenvolvidos para detectar e corrigir erros, auto-isolamento de nós defeituosos e insensibilidade a um alto nível de interferência eletromagnética.

A ideologia CAN é baseada no modelo OSI / ISO de sete níveis (em termos simples, é uma divisão virtual dos processos de transmissão e recebimento de informações em sete níveis). Não faz sentido aprofundar-se nesta área, uma vez que ela é amplamente abordada em muitas fontes, por exemplo, em [1]. Atualmente, dois níveis são padronizados: físico (parcialmente) e canal.

O meio de transmissão físico não é definido na especificação CAN da Bosch, mas geralmente é entendido como uma rede do tipo barramento com uma camada física na forma de um par de fios de acordo com o padrão ISO 11898. Tipos de conexão e velocidade de transmissão não são atualmente padronizados, mas geralmente são especificados nas especificações das camadas sobrepostas.

Todos os nós da rede são conectados a dois fios da linha que os conecta (CAN_H e CAN_L) em paralelo. Nas extremidades da linha de comunicação, devem ser instalados terminadores - resistores com resistência de 120 ohms. Na ausência de transmissão, a tensão em ambos os fios relativos à carroceria ou ao fio comum da instalação tecnológica é de 2,5 V. Uma unidade lógica (de acordo com a terminologia adotada no CAN, um bit com esse valor é denominado recessivo) corresponde a um estado de barramento em que o nível de tensão no fio CaN_H é maior do que no CAN_L. Zero lógico (um bit com esse valor é chamado de dominante) - vice-versa. Quando vários transmissores operam simultaneamente, o bit recessivo na linha é suprimido pelo dominante.

Assume-se que o estado passivo do barramento corresponde ao nível do lógico. Está nele quando nenhuma mensagem é transmitida. A transmissão da mensagem sempre começa com o bit dominante. Os fios do barramento no módulo CAN de cada nó são conectados a um chip especial - um driver de barramento que executa as funções de um transceptor. Além disso, o driver pode fornecer alguns recursos adicionais:

- regulação da taxa de variação do sinal alterando a corrente de entrada;
- proteção das saídas do transmissor contra danos em caso de possíveis curtos-circuitos dos fios CAN_H e CAN_L com circuitos de energia usando a unidade limitadora de corrente embutida, bem como de um aumento de tensão de curto prazo nesses fios;
- proteção térmica interna;
- modo de baixo consumo de energia, no qual o receptor continua a relatar o status do barramento ao controlador para que, ao detectar sua atividade, possa transferir o driver para a operação normal.

A codificação das informações para transmissão no barramento é realizada pelo método NRZ (Non Return to Zero). Tem uma desvantagem significativa: ao transmitir uma longa sequência de unidades, verifica-se que não há pausas entre elas. Isso faz com que o receptor não seja capaz de distinguir entre tal sequência e uma pausa entre as mensagens. Para resolver esse problema, é usado o chamado bitstaffing (Bit Stuffing - preenchimento de bits). Consiste no fato de que, após cinco bits idênticos transmitidos em sequência, um bit adicional com o valor oposto é inserido em seu fluxo. O receptor, tendo encontrado cinco bits idênticos em sequência, exclui o que os segue, inserido durante a transmissão.

Dois tipos de identificadores são definidos na camada de enlace: CAN padrão (11 bits) e CAN estendido (29 bits). Eles definem o formato da mensagem.

Dentre os níveis superiores, destacam-se as especificações CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet e SDS (Smart Distributed System), mais detalhes podem ser encontrados na Internet [2].

Por definição, uma rede CAN combina um número limitado de controladores localizados localmente na mesma instalação, sala ou várias salas próximas. Não ultrapassa os limites do objeto tecnológico. A ideologia da rede é construída em vários pontos. Primeiro, o controlador de transmissão escuta continuamente seus próprios sinais transmitidos pela rede. Isso possibilita a verificação bit a bit da exatidão das informações transmitidas (monitoramento de bit de verificação) por vários nós, ao contrário, por exemplo, das redes Ethernet. Se o bit recebido pelo controlador for diferente do bit transmitido pelo controlador, a transmissão será interrompida e um erro de bit será gerado.

Ao transmitir um identificador de mensagem, esse mecanismo é usado para resolver colisões e, ao transmitir informações, sua correção é verificada. Se for detectado um erro nele, o transmissor interrompe sua mensagem e emite um Error Frame no barramento para notificar os outros nós da rede sobre esse evento. Para confirmar o recebimento de uma mensagem, o quadro de dados contém um campo ACK. Nesse campo, cada nodo que recebeu a mensagem transmitida confirma à sua fonte que ela foi recebida. Uma mensagem não confirmada é reenviada pelo transmissor até que uma confirmação seja recebida.

Todos os nós da rede recebem informações transmitidas, portanto, é impossível enviar uma mensagem para qualquer nó específico. Mas se os controladores modernos tiverem ferramentas de filtragem de tráfego, isso não é um grande problema.

A rede CAN é descentralizada. Isso pode ser considerado uma grande vantagem, se nos desviarmos um pouco da ideologia usual, segundo a qual a rede deve ter um nó mestre que a controle e nós escravos que executem seus comandos. Em uma rede descentralizada, os nós são mais inteligentes. Ele continua a funcionar se algum deles falhar.

As informações são transmitidas por mensagens de formato padrão - Data Frame (transmissão de informações), Remote Transmission Request Frame ou simplesmente Remote Frame (solicitação de informações), Error Frame (mensagem de erro), Overload Frame (mensagem de sobrecarga do controlador).

Os quadros de dados mais usados. Seu formato e conteúdo são mostrados na Tabela. 1 para padrão e em tabela. 2 para quadros estendidos. O quadro de solicitação de informação difere do quadro informativo (formato padrão ou estendido) apenas porque o bit RTR é sempre recessivo e não há campo de informação.

Tabela 1

Tabela 2

Um Error Frame consiste em um campo Error Flag, que contém seis bits do mesmo valor (e, portanto, viola a regra de bitstaffing) e um campo Error Delimiter de oito bits recessivos. Sua transmissão faz com que todos os nós da rede registrem um erro de formato e transmitam automaticamente seus Error Frames para a rede. O resultado desse processo é a retransmissão automática de informações para a rede pelo nó que transmitiu a mensagem original.

O Quadro de Sobrecarga repete a estrutura e a lógica do Quadro de Erro, mas é transmitido por um nó que atualmente não consegue processar a mensagem recebida e, portanto, solicita uma retransmissão. Atualmente, praticamente não é usado.

Cada nó da rede possui um driver de barramento, um controlador CAN (que é responsável por interagir com a rede, implementando o protocolo de troca) e um microcontrolador. Muitas vezes, um controlador CAN é combinado com um microcontrolador. Nesse caso, dois microcircuitos são suficientes para criar um nó de rede CAN - um microcontrolador e um driver de barramento.

A sincronização no CAN está intimamente relacionada à própria forma como as informações são transmitidas pela rede. O usuário tem a oportunidade de programar a taxa de transferência de informações (de 1 Kbps a 1 Mbps), a posição do ponto de amostragem do bit (momento) em seu intervalo de transmissão e o número de amostras de cada bit. Graças a isso, a rede pode ser otimizada para uma aplicação específica. Mas também cria alguns problemas.

Qualquer informação transmitida pelo barramento serial pode ser dividida em bits elementares, o tempo de transmissão desse bit elementar NBT (Nominal Bit Time) determina a taxa de transferência de informações NBR (Nominal Bit Rate) - o número de bits transmitidos por segundo por um transmissor ideal sem restaurar intervalos de relógio:

NBR=1/NBT(1)

Como mostrado na fig. 1, o intervalo NBT é dividido em vários segmentos não sobrepostos, cada um dos quais consiste em um número inteiro de segmentos de tempo, denominados quanta de tempo (TQ).

Fig. 1

Como a taxa de transmissão NBR para todos os nós da rede deve ser a mesma, usando a fórmula (1), eles geralmente encontram o valor NBT necessário e, em seguida, selecionam a duração de cada um dos segmentos que o formam:

NBT=T_SyncSeg +T_PropSeg +T_PS1 +T_PS2, (2)

onde T_SyncSeg - duração do segmento de sincronização; T_PropSeg - duração do segmento de propagação; T_PS1 - duração do segmento da fase 1; T_PS2 - duração do segmento da fase 2.

Segmento de tempo (SyncSeg) - primeiro na ordem, usado para sincronizar nós no barramento. A chegada do desnível inicial será esperada neste segmento. Sua duração é fixa e sempre igual a 1TQ.

Segmento de distribuição (PropSeg) serve para compensar os atrasos de sinal físico entre os nós. Sua duração depende do tempo de propagação do sinal do nó transmissor ao nó receptor e vice-versa, incluindo os atrasos associados ao driver do barramento. Pode assumir valores de 1TQ a 8TQ.

Segmentos de fase 1 e 2 (PS1 e PS2) são usados ​​para compensar a distorção de fase das quedas de barramento. Durante a sincronização de recuperação do relógio, o receptor pode aumentar o PS1 ou encurtar o PS2. De acordo com a especificação original da Bosch, a duração do PS1 e PS2 pode variar de 1TQ a 8TQ, mas para alguns módulos CAN esses valores podem ser diferentes.

Entre os segmentos PS1 e PS2 existe um momento chamado ponto de amostragem de bits. Lê e interpreta o nível lógico do sinal. Em alguns controladores CAN existe um modo de leitura tripla do nível de sinal de cada bit. Mas mesmo neste caso, o ponto principal é considerado entre PS1 e PS2, e os outros dois contribuem para a decisão correta sobre o valor do bit de acordo com o critério de maioria (duas ou três amostras do mesmo nível).

Conforme mencionado acima, o tempo nominal de transmissão de bit consiste em um número inteiro de fatias de tempo TQ. A duração do quantum depende da frequência do gerador de relógio do módulo F_OSC e seu fator de divisão pelo prescaler BRP. Relações entre TQ, F_OSC e BRP são diferentes para diferentes tipos de microcontroladores. Por exemplo, para MSR2510, a fórmula é válida

TQ = 2 (BRP + 1)/F_OSC . (3)

Para microcontroladores STM32F e LPC23xx, a fórmula é assim:

TQ = (BRP + 1)/F_OSC . (4)

Ao escolher a duração dos segmentos, é mais conveniente usar fatias de tempo TQ, em vez de unidades de tempo padrão. Aqui e abaixo, designaremos o nome do segmento (por exemplo, PropSeg) e sua duração em quanta. Existem vários requisitos que devem ser atendidos:

PropSeg+PS1 ≥ PS2; (5)

PropSeg+PS1 ≥ T_mordaça, (6)

PS2 > SJW. (7)

T_mordaça na desigualdade (6) - atraso de propagação do sinal na rede. Supondo que todos os nós da rede tenham atrasos internos semelhantes, o atraso de propagação pode ser calculado usando a fórmula

T_mordaça = 2 (T_ônibus +T_cmp +T_drv), (8)

onde T_ônibus - tempo de ida e volta do sinal no ambiente físico do ônibus; T_cmp - atraso no comparador de entrada; T_drv - atraso no driver de saída.

SJW (largura do salto de sincronização - a largura do salto de sincronização) em desigualdade (7) - a duração do segmento de transição de sincronização, adicionalmente introduzida para ajustar a duração do recebimento de um bit conforme necessário. Usado para sincronizar a recepção com as mensagens transmitidas. Além disso, a interferência externa cria situações em que a taxa de transmissão nominal planejada na rede não corresponde à taxa real. Esse segmento adicional também é utilizado para compensar essa diferença. A duração do SJW está dentro de 1TQ-4TQ.

Os segmentos PS1 e PS2, junto com o SJW, são usados ​​para compensar o desvio do clock do nó. PS1 e PS2 podem ser alongados ou encurtados conforme necessário. A sincronização ocorre em uma transição de um estado de barramento recessivo (1) para um dominante (0) e controla a quantidade de tempo entre essa transição e o ponto de amostragem de bit. Uma transição é sincronizada se ocorrer em um segmento SyncSeg, caso contrário, há um erro de fase - intervalo de tempo entre a transição e o final do SyncSeg, medido em fatias de tempo TQ.

Existem dois tipos de sincronização: hardware e ressincronização. O hardware é executado apenas uma vez durante a primeira transição de recessivo para dominante, encerrando o período de descanso do barramento. Esta borda indica o início do quadro (SOF - Start of Frame). A sincronização de hardware redefine o contador de sincronização, fazendo com que a borda fique dentro do SyncSeg. Neste ponto, todos os receptores estão sincronizados com o transmissor.

O reclocking com recuperação de clock é realizado para manter o clock inicial que foi ajustado pelo hardware. Sem a recuperação do relógio, os receptores podem ficar fora de sincronia devido ao desvio da frequência dos geradores de relógio nos nós da rede. Este tempo é baseado no Digital Phase Locked Loop (DPLL), que compara a posição real da transição recessiva para dominante no barramento com a posição da transição esperada dentro do SyncSeg e ajusta o tempo de bit conforme necessário.

O erro de fase e é determinado pela posição da borda em relação ao segmento SyncSeg, medido em TQ:

e = 0 - a transição está dentro do segmento SyncSeg;

e > 0 - a transição é antes do ponto de amostragem, as fatias de tempo TQ são adicionadas ao PS1;

e < 0 - a transição ocorre após o ponto de amostragem do bit anterior, as fatias de tempo TQ são subtraídas de PS2.

O reclocking com recuperação do clock não pode ocorrer no início de um frame, pois o clock do hardware já foi executado ali.

Se o valor absoluto do erro de fase for menor ou igual a SJW, o resultado do hardware e da ressincronização é o mesmo. Se o erro de fase for maior que SJW, a ressincronização não poderá compensar totalmente o erro de fase.

Apenas uma sincronização é permitida entre dois pontos de amostragem. Ele mantém um intervalo definido entre a borda e o ponto de amostragem, permitindo que o nível do sinal se estabilize e filtrando as alterações mais curtas que PropSeg + PS1.

A sincronização também está relacionada à arbitragem. Todos os nós são sincronizados com aquele que começou a transmitir primeiro. Mas o sinal de outro nó, que iniciou a transmissão um pouco mais tarde, não pode ser perfeitamente sincronizado. No entanto, o primeiro transmissor não necessariamente vencerá a arbitragem, portanto os receptores devem sincronizar-se não com ele, mas com aquele que o venceu. O mesmo ocorre no campo ACK, onde é necessário sincronizar com o nodo que primeiro começou a transmitir o bit de confirmação. Tudo isso leva a uma diminuição no desvio mútuo permitido da frequência dos geradores de clock instalados nos nós do barramento.

Existem várias regras de sincronização:

- apenas as transições do estado recessivo para o dominante (de um para zero) são usadas;

- apenas uma sincronização é permitida dentro de uma transmissão de bit;

- a transição é utilizada para sincronização, desde que o nível lógico do sinal lido no ponto de amostragem anterior seja diferente do nível definido no barramento imediatamente após a transição;

- o nó transmissor não restaura os intervalos de clock com um erro de fase positivo (e > 0), ou seja, não se ajusta à sua própria mensagem. Mas os receptores sincronizam normalmente;

- se o valor absoluto do erro de fase for maior que o salto de fase SJW, então a duração do segmento de fase correspondente (PS1 ou PS2) é alterada para um valor igual a SJW.

O exposto acima leva ao fato de que o comprimento físico do ônibus é limitado pela velocidade de transferência de informações por meio dele. Todos os nós em um barramento precisam ler seus estados dentro do mesmo intervalo de bits. Como resultado, verifica-se que a taxa de transferência máxima de 1 Mbps é alcançável apenas com um comprimento de barramento não superior a 30 m.

Considere como o controlador CAN é configurado em microcontroladores específicos.

Nos microcontroladores da família LPC (por exemplo, a série LPC23xx), os registradores CANxBTR são usados ​​para definir a velocidade de transmissão no barramento CAN, onde x é o número do controlador CAN (pode ser 1 ou 2, em alguns casos - 4). Os seguintes parâmetros são definidos aqui (os intervalos dos números dos bits de registro ocupados por eles são indicados entre colchetes):

BRP (CANxBTR[9:0]) - Valor do prescaler da frequência do barramento APB para uso posterior pelo controlador CAN. Este parâmetro determina a duração do quantum de tempo TQ, que é determinado pela fórmula (4) quando F é substituído nele_OSC=1/T_APB, onde T_APB - período de repetição do pulso no barramento do sistema APB do microcontrolador.

SJW (CANxBTR[15:14]) - a largura do salto de sincronização em quantums TQ é um a mais do que o valor especificado aqui.

TSEG1 (CANxBTR[19:16]) e TSEG2 (CANxBTR[20:22]) - a duração dos segmentos (respectivamente PS1 e PS2) em TQ quanta é um a mais do que os valores especificados aqui.

SAM (CANxBTR[23]) - define o número de leituras do valor de cada bit: 0 - uma vez, 1 - três vezes. A última opção é utilizada, via de regra, em redes de baixa velocidade.

Ao escolher essas opções, você deve ser guiado pelas seguintes regras:

T_PS2 ≥ 2 TQ (9)

T_PS2 ≥T_SJW (10)

T_PS1 ≥T_PS2 (11)

Os microcontroladores da série STM32F possuem um registrador semelhante e é chamado de CAN_BTR. Contém os seguintes campos:

BRP (CAN_BTR[9:0]), TS1 (CAN_BTR[19:16]) e TS2 (CAN_BTR[22:20]) - coincidem em propósito e localização no registro com os campos BPR, TSEG1 e TSEG2 do registro CANxBTR discutido acima. Ao calcular o valor de TQ, a fórmula (4) deve ser substituída por F_OSC=1/T_PCLK, onde T_PCLK - período de repetição do pulso no barramento VPB do microcontrolador.

SJW (CAN_BTR[25:24]) - difere do campo do registrador CANxBTR de mesmo nome apenas nos bits ocupados no registrador.

LBKM (CAN_BTR[30]) - um neste registrador configura o modo loopback, no qual a mensagem transmitida é recebida pelo próprio receptor, mas não enviada para a rede.

SILM (CAN_BTR[31]) - uma unidade neste registro configura o modo silencioso, no qual o controlador recebe mensagens vindas da rede, mas não transmite nada.

Ambos os modos mencionados são usados ​​para depuração.

Para os microcontroladores em questão, a fórmula (2) é simplificada devido à ausência dos segmentos SyncSeg e PropSeg. Eles são substituídos por um segmento com duração de 1TQ. A fórmula para eles é assim:

NBT=TQ+T_PS1 +T_PS2 (12)

A taxa de transmissão no barramento CAN em bits por segundo é calculada no programa usando a fórmula

NBR = (F/(BRP + 1)) (1/(PS1 +PS2 +3)) (13)

onde F é a frequência do barramento do sistema APB ou VPB, respectivamente, para STM32F ou LPC23xx. Se o parâmetro SJW for diferente de zero, o máximo

BR_max = (F/(BRP + 1)) (1/(PS1 +PS2 - SJW + 2)) (14)

e mínimo

BR_minutos = (F/(BRP + 1)) (1/(PS1 +PS2 + SJW + 4)) (15)

valores de taxa de transmissão no barramento CAN, no intervalo entre os quais a sincronização é fornecida.

A janela do programa CANTools é mostrada na fig. 2. Os dados iniciais para isso são o tipo de microcontrolador, a taxa de transferência de informações necessária e a frequência do barramento do sistema, a partir do qual o controlador CAN é sincronizado. Iniciando o cálculo, você deve, antes de tudo, escolher o tipo de microcontrolador. No programa em questão, existem apenas duas opções - LPC23xx ou STM32F103. Em seguida, defina a taxa de transmissão necessária no barramento CAN em kilobits por segundo. Depois disso, você pode definir a frequência do barramento do sistema em megahertz. Resta apenas pressionar o botão na tela "Cálculo" e obter o resultado.

Fig. 2

O programa funciona da seguinte forma: o valor BRP muda em um ciclo de 0 a 512. A frequência das fatias de tempo e seu número contido no intervalo NBT são calculados para a frequência de barramento do sistema, valor BRP e taxa de transmissão fornecidos. O número de quanta deve ser um número inteiro e menor que 23 - o valor máximo que pode ser gravado nos registradores do microcontrolador. Em seguida, itera pelos valores TSEG2 de 2 a 7 com uma diminuição correspondente no valor de TSEG1. Sua soma permanece constante.

A tela exibe a taxa de repetição quântica F_sc=1/TQ, através de uma linha contínua - a duração do quantum TQ, então o valor do campo BRP do registrador correspondente. Depois disso, cada par de linhas descreve o resultado de uma das opções de cálculo.

Os parâmetros TSEG1 e TSEG2 na primeira linha do par correspondem aos campos de mesmo nome no registrador CANxBTR dos microcontroladores LPC23xx ou aos campos TS1, TS2 do registrador CAN_BTR do microcontrolador STM32F103. A soma deles, o valor de cada um dos campos, bem como o valor do campo SJW, se não for nulo, são fornecidos. A última linha exibe o valor hexadecimal CANBTR, que deve ser escrito no registrador CANxBTR ou CAN_BTR (conforme o tipo de microcontrolador) para implementar a opção calculada.

A segunda linha do par exibe os valores das taxas máxima e mínima de transferência de informações no barramento CAN (se SJW > 0) e a posição do ponto de amostragem do bit em relação ao início de sua transmissão como uma porcentagem de a duração do intervalo de transmissão.

Para alguns valores de BRP, os resultados do cálculo não são exibidos. Isso significa que a taxa de repetição da fatia de tempo ou a taxa de transmissão no barramento CAN, calculada pela fórmula (13), acabou sendo expressa como um número fracionário. Nesses casos, nenhum cálculo é feito.

O programa CANTools, automatizando o processo de cálculo, não dá recomendações sobre quais combinações de parâmetros são mais bem utilizadas em uma aplicação real. O desenvolvedor da rede deve escolher a melhor opção dentre as propostas, com base no conhecimento e experiência existentes. Para quem está começando a dominar o CAN, o autor pode recomendar que se guie pela seguinte regra: o intervalo entre o início de um bit e o ponto de sua amostragem deve estar na faixa de 70 a 85% da duração do bit . Talvez, na realidade, você tenha que testar praticamente várias opções dentre as propostas pelo programa.

O programa CANTools pode ser baixado em ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/01/can.zip.

Literatura

1. Modelo de rede OSI.
2. Rede de Área do Controlador.

Autor: A. Abramovich

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