CAN通信位时序:同步传输的核心机制"

admin 2026-10-22 13:50:57 网络安全文章 来源:ZONE.CI 全球网 0 阅读模式

CAN通信位时序:同步传输的核心机制

谈思实验室

2026年10月18日 17:50
上海

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我们在计算CAN通信的波特率时,会有许多概念,以周立功ZCANPRO中附带的波特率计算器为例

涉及到的参数有时钟(Clock),波特率(Baudrate),同步跳转宽度(SJW),比特率预分频器(BRP:bit rate prescaler),TSEG1,TSEG2,采样点(SMP:sample point)。

不管何种协议的通信方式,其目的归根结底就是发送方将一个个0/1发送给接收方。这些参数的目的就是为了让收发双方知道每秒采样多少次,在什么时间进行采样。

单位时间(即每秒)发送0/1的数量就是波特率。发送单个0/1所需要的时间就是位时间(BT:bit time)。

则

BT=1/波特率

位时间内信号的组成就是位时序。CAN 通信中的位时序是确保多节点间数据同步传输的核心机制。
接下来我们通过位时序理解各个参数的意义和作用。

01

位时序的基本概念

位时序是指在CAN总线上传输每一位数据的时间安排结构,它定义了每个数据位在时间轴上的精细划分。CAN协议采用非归零(NRZ) 通信方式,没有固定的时钟信号线,因此位时序设计成为实现节点间同步的关键。通过位时序,CAN总线能够在分布式系统 中实现多节点间的精确同步,避免因时序偏差导致的误码问题。

02

位时序的组成结构

一个完整的CAN位时序由四个逻辑时间段组成,这些段共同构成一个位的传输时间:

1、同步段(SS: Synchronization Segment)

  • 固定长度为1个时间量子(Tq)
  • 用于实现节点间的硬同步,当总线上出现显性电平跳变时,所有节点以此跳变为基准对齐本地时序
  • 是所有节点建立统一时间基准的关键环节

2、传播段(PTS: Propagation Time Segment)

  • 长度可配置为1-8个Tq
  • 用于补偿信号在总线线路上的传输延迟以及节点内部的电路延迟
  • 典型配置:在长距离工业总线中适当延长,以抵消信号传输过程中的时延累积

3、相位缓冲段1(PBS1: Phase Buffer Segment 1)

  • 长度通常为1-8个Tq
  • 用于吸收节点间的微小时序偏差,当信号边沿不能被包含于SS段中时进行补偿
  • 在重同步过程中可被延长,以调整采样点位置

4、相位缓冲段2(PBS2: Phase Buffer Segment 2)

  • 长度通常为2-8个Tq
  • 用于提供额外的调整余量,在重同步过程中可被缩短
  • 与PBS1共同构成时序调整的弹性空间,使节点能够灵活应对传输过程中的时序漂移

03

关键参数与时序计算

1. 时间量子(Tq)

  • 位时序中的最小时间单位,由CAN控制器的系统时钟(Clock)分频得到
  • 计算公式:T q = ( B R P + 1 ) × t Tq = (BRP + 1) × t
  • 即,Tq由(BRP+1)个系统时钟周期组成

其中BRP为波特率预分频器值,t tt为系统时钟周期

2. 位时间(BT: bit time)与波特率(Baudrate)

  • 位时间 = (1 + TSEG1 + TSEG2) × Tq

TSEG1 = PTS + PBS1(采样点之前的时间段)

TSEG2 = PBS2(采样点之后的时间段)
* 波特率 = 1 / 位时间

3. 采样点(SMP:sample point)位置

  • 采样点位于PBS1结束处,是CAN控制器读取总线电平以确定位值的关键时刻
  • 采样点位置以百分比表示:S M P = ( 1 + T S E G 1 ) / ( 1 + T S E G 1 + T S E G 2 ) × 100 SMP = (1 + TSEG1) / (1 + TSEG1 + TSEG2) × 100%SMP=(1+TSEG1)/(1+TSEG1+TSEG2)×100
  • 推荐范围:65%-90%,常见值为75%-87.5%

过早采样易受边沿抖动干扰

过晚采样则压缩了有效保持窗口,二者均会升高误码率

4. 重同步跳转宽度(SJW)

  • 定义:限制时序调整幅度的关键参数
  • 作用:规定每个位时间内PBS1最多可延长、PBS2最多可缩短的时间量子数
  • 设置原则:SJW ≤ min(TSEG1, TSEG2),既保证时序调整灵活性,又避免过度调整导致位时间混乱
    SJW

04

同步机制与工作原理

1. 硬件同步

  • 触发条件:接收单元在总线空闲状态检测出帧起始(SOF)
  • 工作原理:当检测到隐性电平到显性电平的边沿时,视为位的起始(SS),不考虑SJW值进行同步调整
  • 特点:确保所有节点在帧起始阶段建立统一的时间基准

2. 再同步机制

  • 触发条件:在接收过程中检测到总线上的电平变化
  • 工作原理:

当隐性电平到显性电平的边沿出现在PTS和PBS1之间时,延长PBS1以调整同步

当边沿出现在PBS2中时,缩短PBS2以调整同步
* 调整幅度:受SJW值限制,最大调整范围为SJW个Tq

3. 同步规则

  • 1位中只进行一次同步调整
  • 仅当边沿后的总线电平与边沿前一个总线采样值不同时,该边沿才能用于同步
  • 帧起始边沿必须进行强制同步
  • 发送单元观测到自身输出的显性电平有延迟时不进行再同步

05

位时序配置实例

示例:CAN时钟10MHz,目标波特率1Mbps

  • Tq = 1/10MHz = 100ns
  • 位时间 = 1/1Mbps = 1000ns = 10个Tq
  • 配置:

SS = 1Tq

PTS = 6Tq(考虑总线延迟)

PBS1 = 1Tq

PBS2 = 2Tq

SJW = 1Tq
* 采样点位置 = (1+6+1)/10 = 80%

采样点调整示例:

  • 提前采样:PTS+PBS1减小,PBS2加大 → 采样点前移(如60%)
  • 延迟采样:PTS+PBS1加大,PBS2减小 → 采样点后移(如80%)

06

位时序的重要性 与应用

  1. 通信可靠性保障:通过精准的时序设计和同步机制,有效避免因时序偏差导致的误码问题
  2. 环境适应性:支持不同波特率(10kbit/s-1Mbit/s+)和总线长度的灵活配置
  3. 抗干扰能力:合理的位时序配置可显著提高系统对电磁干扰的抵抗能力
  4. 多节点同步:确保分布式系统中所有节点在统一的时序基准下工作

在实际应用中,位时序配置需根据具体场景进行优化:

  • 汽车电子:通常使用250kbit/s或500kbit/s波特率,采样点设为80%-87.5%
  • 工业控制:长距离通信时降低波特率,延长位时间以补偿更大传输延迟
  • 高噪声环境:增加PTS长度,提高抗干扰能力

通过合理配置位时序参数,CAN总线能够适应从近距离高速通信到远距离低速传输的各种应用场景,为现代汽车电子、工业自动化 和智能设备等领域提供稳定可靠的通信基础。

参考文档:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/162708070

https://mp.weixin.qq.com/s/aF4c8\_9-VfOJow3hSGjP5w

https://blog.csdn.net/qq\_35057766/article/details/135573375

来源:CSDN博主「高阳&酒徒」

https://blog.csdn.net/u010360138/article/details/160152217

end

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