Cálculo de sincronización de bits de la red CAN. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.

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Cuando se utiliza la interfaz CAN, un gran problema está relacionado con la configuración de la velocidad de transmisión y recepción de información en el módulo CAN del microcontrolador. El artículo describe los principios generales de esta instalación según las especificaciones de Bosch. Como ejemplo, se dan las fórmulas básicas para el cálculo de los valores de los parámetros escritos en los registros de control de los módulos CAN de los microcontroladores ARM LPC23xx y STM32F103, y se considera un programa desarrollado por el autor que ayuda a elegir la mejor opción.

La interfaz CAN (red de área del controlador - red de área local del controlador) tuvo su origen a mediados de los años 80 del siglo pasado de la mano de la empresa alemana Robert Bosch Gmbh, que la creó como un medio económico para combinar controladores que controlan los sistemas del vehículo en una red de información. El hecho es que a medida que mejoró la tecnología automotriz, también lo hizo la electrónica que controla el motor, la caja de cambios y otros mecanismos. Esto condujo al hecho de que docenas de cables de sensores y actuadores, así como cables que conectaban diferentes bloques entre sí, comenzaron a extenderse a cada unidad electrónica del automóvil. Todo esto no solo hizo que el automóvil fuera más pesado, sino que también afectó su confiabilidad, seguridad y mantenibilidad.

A medida que se fue extendiendo esta interfaz, redes similares comenzaron a utilizarse en otras áreas, en particular, para la automatización de procesos tecnológicos. La alta confiabilidad de la protección de la información contra la distorsión cuando se trabaja en condiciones difíciles y una velocidad de transmisión lo suficientemente alta (hasta 1 Mbps) hizo posible el uso de cAn en lugares distintos a su propósito original. La confiabilidad de la red está garantizada por la presencia de mecanismos avanzados de detección y corrección de errores, autoaislamiento de nodos defectuosos e insensibilidad a un alto nivel de interferencia electromagnética.

La ideología CAN se basa en el modelo OSI/ISO de siete niveles (en términos simples, se trata de una división virtual de los procesos de transmisión y recepción de información en siete niveles). No tiene sentido profundizar en esta área, ya que está ampliamente cubierta en muchas fuentes, por ejemplo, en [1]. Actualmente, se estandarizan dos niveles: físico (parcialmente) y canal.

El medio de transmisión físico no está definido en la especificación CAN de Bosch, pero generalmente se entiende como una red de tipo bus con una capa física en forma de un par de cables de acuerdo con el estándar ISO 11898. Los tipos de conexión y la velocidad de transmisión no son actualmente estandarizados, pero generalmente se especifican en las especificaciones de las capas superiores.

Todos los nodos de la red están conectados a dos cables de la línea que los conecta (CAN_H y CAN_L) en paralelo. En los extremos de la línea de comunicación, se deben instalar terminadores: resistencias con una resistencia de 120 ohmios. En ausencia de transmisión, la tensión en ambos cables con respecto a la carrocería del automóvil o el cable común de la instalación tecnológica es de 2,5 V. Una unidad lógica (según la terminología adoptada en CAN, un bit con tal valor se denomina recesivo) corresponde a un estado de bus en el que el nivel de tensión en el cable CaN_H es mayor que en CAN_L. Cero lógico (un bit con tal valor se llama dominante) - viceversa. Cuando varios transmisores operan simultáneamente, el bit recesivo en la línea es suprimido por el bit dominante.

Se supone que el estado pasivo del bus corresponde al nivel de uno lógico. Está en él cuando no se transmiten mensajes. La transmisión de mensajes siempre comienza con el bit dominante. Los cables de bus en el módulo CAN de cada nodo están conectados a un chip especial, un controlador de bus que realiza las funciones de un transceptor. Además, el controlador puede proporcionar algunas funciones adicionales:

- regulación de la velocidad de respuesta de la señal cambiando la corriente de entrada;
- protección de las salidas del transmisor contra daños en caso de posibles cortocircuitos de los cables CAN_H y CAN_L con circuitos de alimentación utilizando la unidad de limitación de corriente incorporada, así como de un aumento de voltaje a corto plazo en estos cables;
- protección térmica interna;
- modo de bajo consumo, en el que el receptor sigue informando del estado del autobús al controlador para que, cuando detecte su actividad, pueda pasar al conductor al funcionamiento normal.

La codificación de la información para su transmisión por el bus se realiza mediante el método NRZ (Non Return to Zero). Tiene un inconveniente importante: al transmitir una secuencia larga de unidades, resulta que no hay pausas entre ellas. Esto da como resultado que el receptor no pueda distinguir entre tal secuencia y una pausa entre mensajes. Para resolver este problema, se utiliza el llamado bitstaffing (Bit Stuffing - relleno de bits). Consiste en el hecho de que después de cinco bits idénticos transmitidos seguidos, se inserta un bit adicional con el valor opuesto en su flujo. El receptor, habiendo encontrado cinco bits idénticos seguidos, borra el que les sigue, insertado durante la transmisión.

Se definen dos tipos de identificadores en la capa de enlace: CAN estándar (11 bits de largo) y CAN extendido (29 bits). Definen el formato del mensaje.

Entre los niveles superiores, se pueden observar las especificaciones CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet y SDS (Smart Distributed System), se pueden encontrar más detalles en Internet [2].

Por definición, una red CAN combina un número limitado de controladores ubicados localmente dentro de la misma instalación, sala o varias salas cercanas. No va más allá de los límites del objeto tecnológico. La ideología de la red se construye sobre varios puntos. Primero, el controlador de transmisión escucha continuamente sus propias señales transmitidas por la red. Esto hace posible que varios nodos verifiquen bit a bit la corrección de la información transmitida (monitorización de bits de verificación), a diferencia, por ejemplo, de las redes Ethernet. Si el bit recibido por el controlador difiere del bit transmitido por el controlador, la transmisión se detiene y se genera un error de bit.

Al transmitir un identificador de mensaje, este mecanismo se utiliza para resolver colisiones, y al transmitir información, se verifica su corrección. Si se detecta un error en él, el transmisor interrumpe su mensaje y emite una trama de error en el bus para notificar a otros nodos de la red sobre este evento. Para acusar recibo de un mensaje, la trama de datos contiene un campo ACK. En este campo, cada nodo que ha recibido el mensaje transmitido reconoce a su fuente que ha sido recibido. El transmisor reenvía un mensaje no reconocido hasta que se recibe un reconocimiento.

Todos los nodos de la red reciben información transmitida, por lo que es imposible enviar un mensaje a ningún nodo en particular. Pero si los controladores modernos tienen herramientas de filtrado de tráfico, esto no es un gran problema.

La red CAN está descentralizada. Esto puede considerarse una gran ventaja, si nos desviamos un poco de la ideología habitual, según la cual la red debe tener un nodo maestro que la controle y nodos esclavos que ejecuten sus comandos. En una red descentralizada, los nodos son más inteligentes. Continúa funcionando si alguno de ellos falla.

La información se transmite mediante mensajes de formato estándar: Trama de datos (transmisión de información), Trama de solicitud de transmisión remota o simplemente Trama remota (solicitud de información), Trama de error (mensaje de error), Trama de sobrecarga (mensaje de sobrecarga del controlador).

Los marcos de datos más utilizados. Su formato y contenido se muestran en la Tabla. 1 para estándar y en tabla. 2 para marcos extendidos. La trama de solicitud de información difiere de la trama informativa (formato estándar o extendido) solo en que el bit RTR siempre es recesivo y no hay campo de información.

Tabla 1

Tabla 2

Una trama de error consta de un campo de indicador de error, que contiene seis bits del mismo valor (y, por lo tanto, infringe la regla de asignación de bits) y un campo de delimitador de error de ocho bits recesivos. Su transmisión hace que todos los nodos de la red registren un error de formato y transmitan automáticamente sus tramas de error a la red. El resultado de este proceso es la retransmisión automática de información a la red por parte del nodo que transmitió el mensaje original.

La trama de sobrecarga repite la estructura y la lógica de la trama de error, pero la transmite un nodo que actualmente no puede procesar el mensaje entrante y, por lo tanto, solicita una retransmisión. Actualmente, prácticamente no se utiliza.

Cada nodo de la red tiene un controlador de bus, un controlador CAN (que se encarga de interactuar con la red, implementando el protocolo de intercambio) y un microcontrolador. Muy a menudo, un controlador CAN se combina con un microcontrolador. En este caso, dos microcircuitos son suficientes para crear un nodo de red CAN: un microcontrolador y un controlador de bus.

La sincronización en CAN está estrechamente relacionada con la forma en que se transmite la información a través de la red. El usuario tiene la oportunidad de programar la tasa de transferencia de información (de 1 Kbps a 1 Mbps), la posición del punto (momento) de muestreo del bit en su intervalo de transmisión y el número de muestras de cada bit. Gracias a esto, la red se puede optimizar para una aplicación específica. Pero también crea algunos problemas.

Cualquier información transmitida a través del bus serie se puede dividir en bits elementales, el tiempo de transmisión de este bit elemental NBT (Tiempo de bit nominal) determina la tasa de transferencia de información NBR (Tasa de bits nominal): la cantidad de bits transmitidos por segundo por un transmisor ideal sin restaurar intervalos de reloj:

NBR=1/NBT(1)

Como se muestra en la fig. 1, el intervalo NBT se divide en varios segmentos que no se superponen, cada uno de los cuales consta de un número entero de segmentos de tiempo, denominados cuantos de tiempo (TQ).

La figura. 1

Dado que la tasa de transmisión de NBR para todos los nodos de la red debe ser la misma, utilizando la fórmula (1) generalmente encuentran el valor de NBT requerido y luego seleccionan la duración de cada uno de los segmentos que lo forman:

NBT=T_{SegSincronización} + T_PropSeg + T_PS1 + T_PS2(2)

donde T_{SegSincronización} - duración del segmento de sincronización; T_PropSeg - duración del segmento de propagación; T_PS1 - duración del segmento de la fase 1; T_PS2 - duración del segmento de la fase 2.

Segmento de tiempo (SyncSeg) - primero en orden, usado para sincronizar nodos en el bus. Dentro de este segmento se esperará la llegada de la diferencia de nivel inicial. Su duración es fija y siempre igual a 1TQ.

Segmento de distribución (PropSeg) sirve para compensar los retrasos de la señal física entre los nodos. Su duración depende del tiempo de propagación de la señal desde el nodo transmisor hasta el nodo receptor y viceversa, incluidos los retrasos asociados con el conductor del autobús. Puede tomar valores desde 1TQ hasta 8TQ.

Segmentos de fase 1 y 2 (PS1 y PS2) se utilizan para compensar la distorsión de fase de las caídas de bus. Durante la sincronización de recuperación de reloj, el receptor puede alargar PS1 o acortar PS2. Según la especificación original de Bosch, la duración de PS1 y PS2 puede variar de 1TQ a 8TQ, pero para algunos módulos CAN, estos valores pueden ser diferentes.

Entre los segmentos PS1 y PS2 se encuentra un momento llamado punto de muestreo de bits. Lee e interpreta el nivel lógico de la señal. En algunos controladores CAN, existe un modo de triple lectura del nivel de señal de cada bit. Pero incluso en este caso, se considera que el punto principal está entre PS1 y PS2, y los otros dos contribuyen a la decisión correcta sobre el valor del bit según el criterio mayoritario (dos o tres muestras del mismo nivel).

Como se mencionó anteriormente, el tiempo nominal de transmisión de bits consta de un número entero de segmentos de tiempo TQ. La duración del cuanto depende de la frecuencia del generador de reloj del módulo F_osc y su factor de división por el prescaler BRP. Relaciones entre TQ, F_osc y BRP son diferentes para diferentes tipos de microcontroladores. Por ejemplo, para MSR2510 la fórmula es válida

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

Para los microcontroladores STM32F y LPC23xx, la fórmula se ve así:

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

Al elegir la duración de los segmentos, es más conveniente utilizar segmentos de tiempo TQ, en lugar de unidades de tiempo estándar. Aquí y más abajo, designaremos el nombre del segmento (por ejemplo, PropSeg) y su duración en cuantos. Hay varios requisitos que se deben cumplir:

PropSeg+PS1 ≥ PS2; (5)

PropSeg+PS1 ≥ T_apuntalar; (6)

PS2 > SJW. (7)

T_apuntalar en la desigualdad (6) - retardo de propagación de la señal en la red. Suponiendo que todos los nodos de la red tienen retrasos internos similares, entonces el retraso de propagación se puede calcular usando la fórmula

T_apuntalar = 2 (T_autobús + T_cmp + T_drv), (una)

donde T_autobús - tiempo de ida y vuelta de la señal en el entorno físico del bus; T_cmp - retraso en el comparador de entrada; T_drv - retraso en el controlador de salida.

hierba de San Juan (Ancho de salto de sincronización - el ancho del salto de sincronización) en desigualdad (7) - la duración del segmento de transición de sincronización, adicionalmente introducido para ajustar la duración de recibir un bit según sea necesario. Se utiliza para sincronizar la recepción con los mensajes transmitidos. Además, la interferencia externa crea situaciones en las que la tasa de transmisión nominal planificada en la red no se corresponde con la tasa real. Este segmento adicional también se utiliza para compensar esta diferencia. La duración de SJW se encuentra dentro de 1TQ-4TQ.

Los segmentos PS1 y PS2, junto con el SJW, se utilizan para compensar la desviación del reloj del nodo. PS1 y PS2 se pueden alargar o acortar según sea necesario. La sincronización ocurre en una transición de un estado de bus recesivo (1) a uno dominante (0) y controla la cantidad de tiempo entre esa transición y el punto de muestra de bits. Una transición se sincroniza si ocurre en un segmento de SyncSeg; de lo contrario, hay un error de fase: el intervalo de tiempo entre la transición y el final del SyncSeg, medido en segmentos de tiempo TQ.

Hay dos tipos de sincronización: hardware y resincronización. El hardware se ejecuta una sola vez durante la primera transición de recesivo a dominante, finalizando el período de descanso del bus. Este borde indica el inicio del cuadro (SOF - Start of Frame). La sincronización de hardware restablece el contador de sincronización, lo que hace que el borde se encuentre dentro del SyncSeg. En este punto, todos los receptores están sincronizados con el transmisor.

La reprogramación con recuperación de reloj se realiza para mantener el reloj inicial establecido por el hardware. Sin recuperación de reloj, los receptores pueden perder la sincronización debido a la deriva de la frecuencia de los generadores de reloj en los nodos de la red. Esta temporización se basa en Digital Phase Locked Loop (DPLL), que compara la posición real de la transición de recesivo a dominante en el bus con la posición de la transición esperada dentro de SyncSeg y ajusta la temporización de bits según sea necesario.

El error de fase e está determinado por la posición del borde en relación con el segmento SyncSeg, medido en TQ:

e = 0 - la transición está dentro del segmento SyncSeg;

e > 0 - la transición está antes del punto de muestreo, los intervalos de tiempo TQ se agregan a PS1;

e < 0: la transición es posterior al punto de muestreo del bit anterior, los intervalos de tiempo TQ se restan de PS2.

El reclocking con recuperación de reloj no puede ocurrir al comienzo de un cuadro, ya que el reloj de hardware ya se ha realizado allí.

Si el valor absoluto del error de fase es menor o igual a SJW, el resultado del hardware y la resincronización es el mismo. Si el error de fase es mayor que SJW, la resincronización no puede compensar completamente el error de fase.

Solo se permite una sincronización entre dos puntos de muestra. Mantiene un intervalo establecido entre la caída del nivel y el punto de muestra, lo que permite que el nivel de la señal se estabilice y filtra los cambios de señal que son más cortos que PropSeg + PS1.

La sincronización también está relacionada con el arbitraje. Todos los nodos están estrechamente sincronizados con el que comenzó a transmitir primero. Pero la señal de otro nodo, que comenzó a transmitir un poco más tarde, no puede sincronizarse perfectamente. Sin embargo, el primer transmisor no necesariamente ganará el arbitraje, por lo que los receptores deben sincronizarse no con él, sino con el que lo ganó. Lo mismo sucede en el campo ACK, donde es necesario sincronizar con el nodo que primero comenzó a transmitir el bit de reconocimiento. Todo esto conduce a una disminución en la deriva mutua permisible de la frecuencia de los generadores de reloj instalados en los nodos de bus.

Hay varias reglas de sincronización:

- solo se utilizan transiciones de estado recesivo a dominante (de uno a cero);

- solo se permite una sincronización dentro de una transmisión de bits;

- la transición se utiliza para la sincronización, siempre que el nivel lógico de la señal leída en el punto de muestreo anterior difiera del nivel establecido en el bus inmediatamente después de la transición;

- el nodo transmisor no restablece intervalos de reloj con error de fase positivo (e > 0), es decir, no se ajusta a su propio mensaje. Pero los receptores se sincronizan como de costumbre;

- si el valor absoluto del error de fase es mayor que el salto de fase SJW, entonces la duración del segmento de fase correspondiente (PS1 o PS2) cambia a un valor igual a SJW.

Lo anterior lleva al hecho de que la longitud física del bus está limitada por la velocidad de transferencia de información a través de él. Todos los nodos de un bus necesitan leer sus estados dentro del mismo intervalo de bits. Como resultado, resulta que la tasa de transferencia máxima de 1 Mbps solo se puede lograr con una longitud de bus de no más de 30 m.

Considere cómo se configura el controlador CAN en microcontroladores específicos.

En los microcontroladores de la familia LPC (por ejemplo, la serie LPC23xx), los registros CANxBTR se utilizan para establecer la velocidad de transmisión en el bus CAN, donde x es el número del controlador CAN (puede haber 1 o 2, en algunos casos - 4). Aquí se establecen los siguientes parámetros (los intervalos de los números de los bits de registro ocupados por ellos se indican entre corchetes):

BRP (CANxBTR[9:0]) - Valor del preescalador de frecuencia del bus APB para su uso posterior por parte del controlador CAN. Este parámetro determina la duración del cuanto de tiempo TQ, que está determinado por la fórmula (4) cuando F se sustituye en él._osc=1/T_APB, donde T_APB - período de repetición de pulsos en el bus de sistema APB del microcontrolador.

hierba de San Juan (CANxBTR[15:14]): el ancho de salto de sincronización en los cuantos TQ es uno más que el valor especificado aquí.

TSEG1 (CANxBTR[19:16]) y TSEG2 (CANxBTR[20:22]) - la duración de los segmentos (PS1 y PS2 respectivamente) en TQ quanta es uno más que los valores especificados aquí.

SAM (CANxBTR[23]) - establece el número de lecturas del valor de cada bit: 0 - una vez, 1 - tres veces. La última opción se usa, por regla general, en redes de baja velocidad.

Al elegir estas opciones, debe guiarse por las siguientes reglas:

T_PS2 ≥ 2 TQ (9)

T_PS2 ≥T_{hierba de San Juan} (10)

T_PS1 ≥T_PS2 (11)

Los microcontroladores de la serie STM32F tienen un registro similar y se llama CAN_BTR. Contiene los siguientes campos:

BRP (CAN_BTR[9:0]), TS1 (CAN_BTR[19:16]) y TS2 (CAN_BTR[22:20]): coincide en propósito y ubicación en el registro con los campos BPR, TSEG1 y TSEG2 del registro CANxBTR discutido anteriormente. Al calcular el valor de TQ, la fórmula (4) debe sustituirse por F_osc=1/T_PCLK, donde T_PCLK - período de repetición de pulsos en el bus VPB del microcontrolador.

hierba de San Juan (CAN_BTR[25:24]) - difiere del campo del registro CANxBTR del mismo nombre solo en los bits ocupados en el registro.

LBKM (CAN_BTR[30]): uno en este registro establece el modo de bucle invertido, en el que el mensaje transmitido es recibido por su propio receptor, pero no enviado a la red.

SILM (CAN_BTR[31]): una unidad en este registro establece el modo silencioso, en el que el controlador recibe mensajes provenientes de la red, pero no transmite nada.

Ambos modos mencionados se utilizan para la depuración.

Para los microcontroladores en consideración, la fórmula (2) se simplifica debido a la ausencia de segmentos SyncSeg y PropSeg. Se reemplazan por un segmento con una duración de 1TQ. La fórmula para ellos se ve así:

NBT=TQ+T_PS1 + T_PS2 (12)

La velocidad de transmisión en el bus CAN en bits por segundo se calcula en el programa utilizando la fórmula

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

donde F es la frecuencia del bus del sistema APB o VPB respectivamente para STM32F o LPC23xx. Si el parámetro SJW es distinto de cero, el máximo

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

y mínimo

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

valores de velocidad en baudios en el bus CAN, en el intervalo entre los cuales se proporciona sincronización.

La ventana del programa CANTools se muestra en la fig. 2. Los datos iniciales para ello son el tipo de microcontrolador, la tasa de transferencia de información requerida y la frecuencia del bus del sistema, desde el cual se sincroniza el controlador CAN. Al comenzar el cálculo, primero debe elegir el tipo de microcontrolador. En el programa en consideración, solo hay dos opciones: LPC23xx o STM32F103. A continuación, configure la tasa de transmisión requerida en el bus CAN en kilobits por segundo. Después de eso, puede configurar la frecuencia del bus del sistema en megahercios. Solo queda presionar el botón en pantalla "Cálculo" y obtener el resultado.

La figura. 2

El programa funciona de la siguiente manera: el valor BRP cambia en un ciclo de 0 a 512. La frecuencia de los intervalos de tiempo y su número contenido en el intervalo NBT se calculan para la frecuencia del bus del sistema, el valor BRP y la velocidad de transmisión. El número de cuantos debe ser un número entero y menor que 23, el valor máximo que se puede escribir en los registros del microcontrolador. Luego itera a través de los valores de TSEG2 de 2 a 7 con una disminución correspondiente en el valor de TSEG1. Su suma permanece constante.

La pantalla muestra la tasa de repetición cuántica F_sc=1/TQ, a través de una línea sólida: la duración del cuanto TQ, luego el valor del campo BRP del registro correspondiente. Después de eso, cada par de líneas describe el resultado de una de las opciones de cálculo.

Los parámetros TSEG1 y TSEG2 en la primera línea del par corresponden a los campos del mismo nombre en el registro CANxBTR de los microcontroladores LPC23xx o los campos TS1, TS2 del registro CAN_BTR del microcontrolador STM32F103. Se da su suma, el valor de cada uno de los campos, así como el valor del campo SJW, si no es nulo. La última línea muestra el valor hexadecimal CANBTR, que debe escribirse en el registro CANxBTR o CAN_BTR (según el tipo de microcontrolador) para implementar la opción calculada.

La segunda línea del par muestra los valores de las tasas de transferencia de información máxima y mínima en el bus CAN (si SJW> 0) y la posición del punto de muestra del bit en relación con el inicio de su transmisión como un porcentaje de la duración del intervalo de transmisión.

Para algunos valores de BRP, los resultados de los cálculos no se muestran. Esto significa que la tasa de repetición de segmentos de tiempo o la tasa de transmisión en el bus CAN, calculada por la fórmula (13), resultó estar expresada como un número fraccionario. En tales casos, no se realiza ningún cálculo.

El programa CANTools, que automatiza el proceso de cálculo, no brinda recomendaciones sobre qué combinaciones de parámetros se utilizan mejor en una aplicación real. El desarrollador de la red debe elegir la mejor opción de las propuestas, con base en el conocimiento y la experiencia existentes. Para aquellos que recién comienzan a dominar CAN, el autor puede recomendar guiarse por la siguiente regla: el intervalo entre el inicio de un bit y el punto de su muestreo debe estar en el rango de 70 a 85% de la duración del bit . Quizás, en realidad, tendrás que probar de forma práctica varias opciones de entre las que te propone el programa.

El programa CANTools se puede descargar desde ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/01/can.zip.

Literatura

1. modelo de red OSI.
2. Controlador de Red de Zona.

Autor: A. Abramovich

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