通常每次只有一个节点要通过共用 CAN 总线通信。没有一般性损耗的情况下,我们来讨论一种二节点网络,然后再将这种讨论延伸至更多节点。图 1 描述了其工作原理。首先,两个节点都处于非占用状态,因此总线上没有差动信号,如(1a)所示。如果节点 A 开始通信,则其使用一个占用位启动一个 CAN 消息。向 CAN 收发器发送的传输数据 (TXD) 输入是一个逻辑 0,其命令差动驱动器在总线线路上生成一个差动信号,如(1b)所示。节点 A 的接收机感应到该差动信号,并在已接收数据引脚 (RXD) 上输出一个逻辑 0。差动电压根据 (1c) 和(1d) 所示双绞线对的传输线路属性进行传输。最终,差动信号到达节点 B,节点 B 的接收机也在 RXD 上输出一个逻辑 0,如 (1e) 所示。这时,节点 B 注意到节点 A 已经开始一个 CAN 消息,这样节点 B 便不会在节点 A 完成以前发起消息。
需要注意的是,节点 B 并非马上就知道节点 A 已经开始一条消息,因为从 A 到 B 的信号具有一定的延迟。这种情况下的总延迟为通过 A 处收发器(以及相关的隔离和缓冲电路)的延迟加上通过线缆的传输延迟,再加上 B 处收发器、隔离和缓冲电路的延迟的总和。乍一看,似乎这种单向延迟就是确保节点 B 不同节点 A 发送消息相冲突所需的关键计时限制。正如我们在情况 2 中所看到的一样,这并非故事的全部。
情况 2:延迟争用,后发消息具有更高的优先级
我们的下一种情况(图 2)假设,节点 A 再次发起一条消息,但是节点 B 在稍后发起的一条消息具有更高的优先级。如前所述,这种情况以两个节点均处在非占用模式作为开始,如 (2a 所示,随后节点 A 变为占用(如(2b)所示)发起一条消息。该占用差动电压再次沿线缆传输。在信号到达 B 处的收发器以前,该节点刚好利用如(2c)所示占用位发起一条消息。这时,两个节点都正传输一个占用位,并且两个节点都正接收一个占用位(如(2d)所示),然后两个节点都没意识到另一个节点也已启用。由于在我们的假设情况中,节点 A 具有比节点 B 更低的优先级,因此有时节点 A 会通过将其 TXD 设置为 0(如(2e)所示)来发出一个非占用位。但是,由于节点 B 的作用,RXD 会感应到总线仍然处在占用状态下。
通过研究某个具有实际延迟值的假设案例,我们可以更加具体地介绍这些计时要求。在我们的二节点例子中,设定总单向延迟为 200ns,信号传输速率为 1Mbps,也就是 ISO 11898-2 标准规定的最大值。这样,位时间便为 1000ns。除节点 B 的第二位会是同节点 A 的消息优先级匹配的 0(非占用)以外,其同情况 2 所述一样。(情况 2 中,节点 B 具有一个占用第二位,表明更高的消息优先级。)
图 3 中,节点 A 在时间 t=0 时开始一条消息,从而在总线(b)上传输一个占用位。如图 2 所示,其可能出现的情况是,节点 B 刚好在节点 A 的信号被接收到以前(c)开始发送,也即时间t=199ns。当时间 t=1000ns 的第二位开始之初,在节点 A 转到非占用状态以前两个节点都没意识到对方的有效性。然后,节点 B 在时间 t=1199ns 的第二位开始之初,转到非占用状态。另一个单向延迟以后,该非占用信号到达节点A,时间 t=1399ns。只有在这时,节点 A 才读取 RXD 信号,并且可以确定其代表网络的真实状态。
注意,只通过等到两倍单向延迟(或者相当于总双向传输时间)节点A才能判别这种情况,其中节点 A 和 B 的消息具有相同的优先级(情况 3),以及节点 B 的消息拥有更高的优先级。由于 CAN 协议固有的逐位仲裁机制,这种双向延迟必须较好地位于一个位时间预算范围内,也即 1000ns。否则,在第二个位仲裁完成以前,节点 A 就可能开始传送其第三个位。
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