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無線電子工学および電気工学の百科事典 CANネットワークのビット同期の計算。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
無線電子工学と電気工学の百科事典 / 自動車。 電子デバイス CAN インターフェイスを使用する場合、大きな問題は、マイクロコントローラーの CAN モジュールでの情報の送受信速度の設定に関連します。 この記事では、ボッシュの仕様に従ってこの設置の一般原則について説明します。 例として、ARM LPC23xx および STM32F103 マイクロコントローラーの CAN モジュールの制御レジスターに書き込まれるパラメーターの値を計算するための基本的な式が示され、最適なオプションの選択に役立つ著者が開発したプログラムが検討されます。 CAN (コントローラー エリア ネットワーク) インターフェイスは、前世紀の 80 年代半ばにドイツの会社 Robert Bosch Gmbh によって始まりました。同社は、車両システムを制御するコントローラーを情報ネットワークに統合するための経済的な手段としてそれを作成しました。 実際、自動車技術が向上するにつれて、エンジン、ギアボックス、その他のメカニズムを制御する電子機器も向上しました。 これにより、センサーやアクチュエーターからの数十本のワイヤー、およびさまざまなブロックを相互に接続するワイヤーが、車内の各電子ユニットに伸び始めたという事実が生じました。 これらすべてが車を重くしただけでなく、信頼性、安全性、メンテナンス性に影響を与えました。 このインターフェースが普及するにつれて、同様のネットワークが他の分野、特に技術プロセスの自動化に使用されるようになりました。 過酷な環境下での作業時の情報歪みに対する高い信頼性と、十分に高い伝送速度（最大1Mbps）により、cAnは本来の用途以外の場所での使用も可能になりました。 ネットワークの信頼性は、高度なエラー検出および修正メカニズムの存在、障害のあるノードの自己隔離、高レベルの電磁干渉に対する鈍感さによって保証されます。 CAN イデオロギーは、1 レベルの OSI / ISO モデルに基づいています (簡単に言うと、これは情報の送受信プロセスを XNUMX つのレベルに仮想的に分割したものです)。 この領域は、[XNUMX] などの多くの情報源で広く取り上げられているため、詳しく調べることは意味がありません。 現在、物理 (部分的) とチャネルの XNUMX つのレベルが標準化されています。 物理伝送媒体は、ボッシュの CAN 仕様では定義されていませんが、一般に、ISO 11898 規格に準拠した XNUMX 対のワイヤの形式の物理層を備えたバスタイプのネットワークであると理解されており、接続タイプと伝送速度は異なります。現在は標準化されていますが、通常は上位層の仕様で指定されます。 すべてのネットワーク ノードは、それらを接続する線 (CAN_H と CAN_L) の 120 本のワイヤに並列に接続されています。 通信回線の終端には、抵抗値2,5オームの抵抗器であるターミネータを取り付ける必要があります。 送信がない場合、車体または技術設備の共通線に対する両方の線の電圧は XNUMX V です。 論理ユニット (CAN で採用されている用語によれば、このような値を持つビットはリセッシブと呼ばれます) CaN_H ワイヤの電圧レベルが CAN_L よりも高いバス状態に対応します。 論理ゼロ (そのような値を持つビットはドミナントと呼ばれます) - その逆。 複数のトランスミッタが同時に動作すると、ライン内のレセッシブ ビットがドミナント ビットによって抑制されます。 バスのパッシブ状態は論理 XNUMX のレベルに対応すると想定されます。 メッセージが送信されない場合はこの中にあります。 メッセージの送信は常にドミナント ビットから始まります。 各ノードの CAN モジュールのバス ワイヤは、トランシーバの機能を実行する特別なチップ、つまりバス ドライバに接続されています。 さらに、ドライバーはいくつかの追加機能を提供する場合があります。 - 入力電流を変更することによる信号スルーレートの調整。 バス上で送信する情報のエンコードは、NRZ (Non Return to Zero) 方式を使用して実行されます。 これには重大な欠点があります。長い一連のユニットを送信する場合、それらの間に休止時間が存在しないことがわかります。 その結果、受信者はそのようなシーケンスとメッセージ間の休止を区別できなくなります。 この問題を解決するために、いわゆるビットスタッフィング (Bit Stuffing - ビットスタッフィング) が使用されます。 これは、XNUMX つの同一ビットが連続して送信された後、反対の値を持つ追加ビットがストリームに挿入されるという事実にあります。 受信機は、連続して XNUMX つの同一ビットを検出すると、送信中に挿入された、それに続くビットを削除します。 リンク層では、標準 CAN (11 ビット長) と拡張 CAN (29 ビット) の XNUMX 種類の識別子が定義されます。 これらはメッセージ形式を定義します。 上位レベルの中でも、CAL/CANopen、CAN Kingdom、DeviceNet、および SDS (スマート分散システム) 仕様に注目することができます。詳細については、インターネット [2] で参照できます。 定義上、CAN ネットワークは、同じ設備、部屋、または近くのいくつかの部屋内にローカルに配置された限られた数のコントローラーを組み合わせます。 技術的対象の境界を超えることはありません。 ネットワークのイデオロギーはいくつかの点に基づいて構築されています。 まず、送信コントローラは、ネットワーク上で送信される自身の信号を継続的にリッスンします。 これにより、例えばイーサネットネットワークとは対照的に、送信された情報の正しさのビットごとの検証 (チェックビット監視) を複数のノードで実行することが可能になります。 コントローラが受信したビットが、コントローラが送信したビットと異なる場合、送信は停止し、ビット エラーが生成されます。 メッセージ識別子を送信する場合、このメカニズムは衝突を解決するために使用され、情報を送信する場合はその正確性がチェックされます。 エラーが検出された場合、トランスミッターはメッセージを中断し、バス上にエラー フレームを発行して、ネットワーク内の他のノードにこのイベントを通知します。 メッセージの受信を確認するために、データ フレームには ACK フィールドが含まれています。 このフィールドでは、送信されたメッセージを受信した各ノードが、そのメッセージが受信されたことを送信元に確認します。 確認応答が受信されないメッセージは、送信側によって確認応答が受信されるまで再送信されます。 すべてのネットワーク ノードが送信された情報を受信するため、特定のノードにメッセージを送信することはできません。 ただし、最新のコントローラーにトラフィック フィルタリング ツールが備わっている場合、これは大きな問題ではありません。 CAN ネットワークは分散化されています。 これは、ネットワークにはネットワークを制御するマスター ノードとそのコマンドを実行するスレーブ ノードが必要であるという通常のイデオロギーから少し逸脱する場合、大きなプラスと考えることができます。 分散型ネットワークでは、ノードはよりインテリジェントになります。 いずれかが失敗しても機能し続けます。 情報は、データ フレーム (情報送信)、リモート送信要求フレーム、または単にリモート フレーム (情報要求)、エラー フレーム (エラー メッセージ)、オーバーロード フレーム (コントローラーのオーバーロード メッセージ) という標準形式のメッセージによって送信されます。 最も一般的に使用されるデータ フレーム。 それらの形式と内容を表に示します。 標準の場合は 1、表に記載。 拡張フレームの場合は 2。 情報要求フレームは、RTR ビットが常にレセッシブであり、情報フィールドがないという点でのみ、情報 (標準または拡張フォーマット) フレームと異なります。 表1
表2
エラー フレームは、同じ値の XNUMX ビットを含む (したがってビットスタッフィング ルールに違反する) エラー フラグ フィールドと、XNUMX つのリセシブ ビットのエラー デリミタ フィールドで構成されます。 その送信により、すべてのネットワーク ノードがフォーマット エラーを登録し、エラー フレームをネットワークに自動的に送信します。 このプロセスの結果、元のメッセージを送信したノードによるネットワークへの情報の自動再送信が行われます。 オーバーロード フレームはエラー フレームの構造とロジックを繰り返しますが、現在受信メッセージを処理できないノードによって送信されるため、再送信が要求されます。 現在では、ほとんど使用されていません。 各ネットワーク ノードには、バス ドライバー、CAN コントローラー (ネットワークとの対話、交換プロトコルの実装を担当)、およびマイクロコントローラーがあります。 多くの場合、CAN コントローラーはマイクロコントローラーと組み合わせられます。 この場合、CAN ネットワーク ノードを作成するには、マイクロコントローラーとバス ドライバーという XNUMX つのマイクロ回路で十分です。 CAN の同期は、ネットワーク上で情報が送信される方法そのものと密接に関係しています。 ユーザーには、情報転送速度 (1 Kbps ～ 1 Mbps)、送信間隔内のビット サンプリング ポイント (瞬間) の位置、および各ビットのサンプル数をプログラムする機会が与えられます。 このおかげで、ネットワークを特定のアプリケーション向けに最適化できます。 しかし、それはいくつかの問題も引き起こします。 シリアル バスを介して送信される情報はすべて基本ビットに分割でき、この基本ビットの送信時間 NBT (公称ビット時間) が情報転送速度を決定します。 NBR (公称ビット レート) - 理想的な送信機によって XNUMX 秒あたりに送信されるビット数クロック間隔を復元しない場合: NBR=1/NBT(1) 図に示すように。 図１に示されるように、ＮＢＴ間隔はいくつかの重複しないセグメントに分割され、各セグメントはタイムクォンタ（ＴＱ）と呼ばれる整数の時間セグメントで構成される。
すべてのネットワーク ノードの NBR 伝送速度は同じでなければならないため、通常は式 (1) を使用して必要な NBT 値を見つけ、それを形成する各セグメントの継続時間を選択します。 NBT=Tシンクセグ + Tプロップセグ + TPS1 + TPS2（2） ここで Tシンクセグ -同期セグメントの期間。 Tプロップセグ - 伝播セグメントの継続時間。 TPS1 - フェーズ 1 セグメントの継続時間。 TPS2 - フェーズ 2 セグメントの期間。 タイミングセグメント (SyncSeg) - 最初の順序で、バス上のノードを同期するために使用されます。 このセグメント内で初期レベル差の到達が予想されます。 その期間は固定されており、常に 1TQ に等しくなります。 流通セグメント (PropSeg) は、ノード間の物理的な信号遅延を補償するために機能します。 その継続時間は、バス ドライバーに関連する遅延を含む、送信ノードから受信ノードへの信号の伝播時間、およびその逆の伝播時間によって異なります。 1TQから8TQまでの値を取ることができます。 フェーズ セグメント 1 および 2 (PS1 および PS2) は、バスドロップの位相歪みを補償するために使用されます。 クロック回復同期中、受信機は PS1 を長くするか、PS2 を短くすることがあります。 ボッシュの元の仕様によれば、PS1 と PS2 の持続時間は 1TQ から 8TQ の範囲ですが、一部の CAN モジュールでは、これらの値が異なる場合があります。 PS1 セグメントと PS2 セグメントの間には、ビット サンプリング ポイントと呼ばれる瞬間があります。 信号の論理レベルを読み取り、解釈します。 一部の CAN コントローラには、各ビットの信号レベルを 1 回読み取るモードがあります。 ただし、この場合でも、主要なポイントは PS2 と PSXNUMX の間にあると考えられ、他の XNUMX つは多数決基準 (同じレベルの XNUMX つまたは XNUMX つのサンプル) に従ってビットの値についての正しい決定に貢献します。 前述したように、公称ビット送信時間は整数のタイム スライス TQ で構成されます。 クォンタムの持続時間は、モジュール クロック ジェネレーター F の周波数に依存します。OSC BRP プリスケーラーによるその分周係数。 TQとFの関係OSC と BRP は、マイクロコントローラーの種類によって異なります。 たとえば、MSR2510 の場合、次の式は有効です。 TQ = 2 (BRP + 1)/FOSC 。 （3） STM32FおよびLPC23xxマイクロコントローラーの場合、式は次のようになります。 TQ = (BRP + 1)/FOSC 。 （4） セグメントの継続時間を選択するときは、標準の時間単位ではなくタイム スライス TQ を使用する方が便利です。 ここと以下では、セグメントの名前 (PropSeg など) とその期間をクォンタムで指定します。 満たさなければならない要件がいくつかあります。 PropSeg+PS1 ≥ PS2; (5) PropSeg+PS1≥T小道具、（6） PS2＞SJW。 （7） T小道具 不等式(6) - ネットワーク内の信号伝播遅延。 ネットワーク内のすべてのノードに同様の内部遅延があると仮定すると、伝播遅延は次の式を使用して計算できます。 T小道具 = 2（Tバス + TCMP + Tdrv）、（8） ここで Tバス - バスの物理環境における信号の往復時間。 TCMP - 入力コンパレータの遅延。 Tdrv - 出力ドライバーの遅延。 SJW 式 (7) の (同期ジャンプ幅 - 同期ジャンプの幅) - 必要に応じてビットを受信する期間を調整するために追加された同期遷移セグメントの期間。 受信と送信メッセージを同期するために使用されます。 さらに、外部干渉により、ネットワークで計画された公称伝送速度が実際の速度に対応しない状況が生じます。 この追加セグメントは、この差を補うためにも使用されます。 SJW の期間は 1TQ ～ 4TQ 以内です。 PS1 および PS2 セグメントは、SJW とともに、ノードのクロック ドリフトを補償するために使用されます。 PS1 と PS2 は必要に応じて延長または短縮できます。 同期は、リセッシブ (1) からドミナント (0) バス状態への遷移時に発生し、その遷移とビット サンプル ポイントの間の時間を制御します。 遷移が SyncSeg セグメント内で発生する場合、遷移は同期されます。そうでない場合は、位相誤差 (遷移と SyncSeg の終了の間の時間間隔、タイム スライス TQ で測定) が発生します。 同期には、ハードウェア同期と再同期の XNUMX 種類があります。 ハードウェアは、リセッシブからドミナントへの最初の遷移中に XNUMX 回だけ実行され、バスの休止期間が終了します。 このエッジはフレームの開始 (SOF - フレーム開始) を示します。 ハードウェア同期により同期カウンターがリセットされ、エッジが SyncSeg 内に位置します。 この時点で、すべての受信機は送信機と同期されます。 クロックリカバリを伴うリクロックは、ハードウェアによって設定された初期クロックを維持するために実行されます。 クロック回復がないと、ネットワーク ノードのクロック ジェネレータの周波数のドリフトにより、受信機の同期が失われる可能性があります。 このタイミングはデジタル フェーズ ロック ループ (DPLL) に基づいており、バス上のリセッシブからドミナントへの遷移の実際の位置と SyncSeg 内で予想される遷移の位置を比較し、必要に応じてビット タイミングを調整します。 位相誤差 e は、TQ で測定される、SyncSeg セグメントに対するエッジの位置によって決まります。 e=0-遷移はSyncSegセグメント内にあります。 e > 0 - 遷移はサンプリング ポイントの前にあり、タイム スライス TQ が PS1 に追加されます。 e < 0 - 遷移は前のビットのサンプリング ポイントの後であり、タイム スライス TQ が PS2 から減算されます。 ハードウェア クロックがフレームの先頭ですでに実行されているため、クロック リカバリを伴うリクロッキングはフレームの先頭では実行できません。 位相誤差の絶対値が SJW 以下の場合、ハードウェアと再同期の結果は同じになります。 位相誤差が SJW より大きい場合、再同期では位相誤差を完全に補償できません。 1 つのサンプル ポイント間で許可される同期は XNUMX つだけです。 エッジとサンプルポイントの間に設定された間隔を維持することで、信号レベルを安定させ、PropSeg + PSXNUMX よりも短い変化を除去します。 同期は調停にも関連します。 すべてのノードは、最初に送信を開始したノードと緊密に同期されます。 しかし、少し遅れて送信を開始した別のノードの信号は完全には同期できません。 ただし、最初の送信機が調停に必ずしも勝つとは限らないため、受信機は調停ではなく、調停に勝った送信機と同期する必要があります。 同じことが ACK フィールドでも起こり、最初に確認応答ビットの送信を開始したノードと同期する必要があります。 これらすべてが、バス ノードに設置されたクロック ジェネレータの周波数の許容相互ドリフトの減少につながります。 いくつかの同期規則があります。 - リセッシブ状態からドミナント状態 (XNUMX から XNUMX) への遷移のみが使用されます。 - ビット送信内で許可される同期は XNUMX つだけです。 - 前のサンプル ポイントで読み取られた信号の論理レベルが、遷移直後にバスに設定されたレベルと異なる場合、遷移は同期に使用されます。 - 送信ノードは、正の位相誤差 (e > 0) がある場合はクロック間隔を復元しません。つまり、送信ノードは自身のメッセージに合わせて調整しません。 ただし、受信機は通常どおり同期します。 - 位相誤差の絶対値が位相ジャンプ SJW より大きい場合、対応する位相セグメント (PS1 または PS2) の継続時間は SJW に等しい値に変更されます。 上記のことから、バスの物理的な長さはバスを介した情報転送の速度によって制限されるという事実が生じます。 バス上のすべてのノードは、同じビット間隔内でその状態を読み取る必要があります。 その結果、最大転送速度1Mbpsはバス長30m以下でしか実現できないことが分かりました。 特定のマイクロコントローラーで CAN コントローラーがどのように構成されているかを検討してください。 LPC ファミリのマイクロコントローラ (LPC23xx シリーズなど) では、CANxBTR レジスタを使用して CAN バス上の伝送速度を設定します。ここで、x は CAN コントローラの番号です (1 または 2、場合によっては 4 の場合もあります)。 XNUMX)。 ここでは次のパラメータを設定します (パラメータが占めるレジスタ ビットの数の間隔は角括弧内に示されています)。 BRP (CANxBTR[9:0]) - CAN コントローラーでさらに使用するための APB バス周波数プリスケーラー値。 このパラメータはタイムクォンタム TQ の継続時間を決定します。これは、F を代入すると式 (4) によって決定されます。OSC=1/TAPB、ここでTAPB - マイクロコントローラーのシステムバス APB 上のパルス繰り返し周期。 SJW (CANxBTR[15:14]) - TQ クォンタムの同期ホップ幅は、ここで指定した値より XNUMX つ大きくなります。 TSEG1 (CANxBTR[19:16]) および TSEG2 (CANxBTR[20:22]) - TQ クォンタムのセグメント (それぞれ PS1 と PS2) の期間は、ここで指定した値より XNUMX つ大きくなります。 SAM (CANxBTR[23]) - 各ビットの値の読み取り回数を設定します: 0 - 1 回、XNUMX - XNUMX 回。 後者のオプションは、原則として低速ネットワークで使用されます。 これらのオプションを選択するときは、次の規則に従う必要があります。 TPS2 ≥ 2 TQ (9) TPS2 ≧ TSJW (10) TPS1 ≧ TPS2 (11) STM32F シリーズ マイクロコントローラには同様のレジスタがあり、CAN_BTR と呼ばれます。 これには次のフィールドが含まれます。 BRP （CAN_BTR [9：0]）、 TS1 (CAN_BTR[19:16]) および TS2 (CAN_BTR[22:20]) - レジスタ内の目的と位置は、上で説明した CANxBTR レジスタのフィールド BPR、TSEG1、および TSEG2 と一致します。 TQ の値を計算する場合、式 (4) に F を代入します。OSC=1/TPCLK、ここでTPCLK - マイクロコントローラーの VPB バス上のパルス繰り返し周期。 SJW (CAN_BTR[25:24]) - 同名の CANxBTR レジスタのフィールドとは、レジスタ内で占有されるビットが異なるだけです。 LBKM (CAN_BTR[30]) - このレジスターの XNUMX はループバック モードを設定します。このモードでは、送信されたメッセージは自身の受信機によって受信されますが、ネットワークには送信されません。 シルム (CAN_BTR[31]) - このレジスタ内のユニットはサイレント モードを設定します。このモードでは、コントローラーはネットワークからのメッセージを受信しますが、何も送信しません。 上記のモードはどちらもデバッグに使用されます。 検討中のマイクロコントローラーでは、SyncSeg セグメントと PropSeg セグメントがないため、式 (2) が簡略化されます。 これらは、1TQ の期間を持つ XNUMX つのセグメントに置き換えられます。 それらの式は次のようになります。 NBT=TQ+TPS1 + TPS2 (12) CAN バス上の伝送速度 (ビット/秒) は、プログラム内で次の式を使用して計算されます。 NBR = (F/(BRP + 1)) (1/(PS1 +PS2 +3)) (13) ここで、F は、STM32F または LPC23xx の場合、それぞれシステム バス APB または VPB の周波数です。 SJW パラメータがゼロ以外の場合、最大値は BRマックス = (F/(BRP + 1)) (1/(PS1 +PS2 - SJW + 2)) (14) そして最小 BR分 = (F/(BRP + 1)) (1/(PS1 +PS2 + SJW + 4)) (15) CAN バス上のボーレート値。この間隔で同期が行われます。 CANTools プログラム ウィンドウを図に示します。 2. 初期データは、マイクロコントローラーのタイプ、必要な情報転送速度、および CAN コントローラーのクロックが供給されるシステム バスの周波数です。 計算を開始するには、まずマイクロコントローラーのタイプを選択する必要があります。 検討中のプログラムには、LPC23xx または STM32F103 の XNUMX つのオプションしかありません。 次に、CAN バス上で必要な伝送速度をキロビット/秒で設定します。 その後、システム バス周波数をメガヘルツ単位で設定できます。 画面上の「計算」ボタンを押して結果を取得するだけです。
プログラムは次のように動作します。BRP 値は 0 から 512 までのサイクルで変化します。NBT 間隔に含まれるタイム スライスの周波数とその数は、指定されたシステム バス周波数、BRP 値、および送信レートに対して計算されます。 クォンタムの数は、マイクロコントローラのレジスタに書き込むことができる最大値である 23 未満の整数である必要があります。 次に、TSEG2 の値を 2 から 7 まで繰り返し、それに応じて TSEG1 の値も減少します。 それらの合計は一定のままです。 画面には、量子繰り返し率 F が表示されます。sc=1/TQ、実線 - TQ クォンタムの継続時間、その後、対応するレジスタの BRP フィールドの値。 その後、各行のペアでいずれかの計算オプションの結果が説明されます。 ペアの最初の行のパラメータ TSEG1 および TSEG2 は、LPC23xx マイクロコントローラの CANxBTR レジスタの同じ名前のフィールド、または STM1F2 マイクロコントローラの CAN_BTR レジスタのフィールド TS32、TS103 に対応します。 それらの合計、各フィールドの値、および SJW フィールドの値 (null でない場合) が表示されます。 最後の行には XNUMX 進値 CANBTR が表示されます。計算されたオプションを実装するには、この値を CANxBTR または CAN_BTR レジスタ (マイクロコントローラのタイプに応じて) に書き込む必要があります。 ペアの 0 行目は、CAN バス上の最大および最小の情報転送速度の値 (SJW > XNUMX の場合) と、送信開始を基準としたビットのサンプル ポイントの位置をパーセンテージで表示します。送信間隔の長さ。 BRP値によっては、計算結果が表示されないものがあります。 これは、式(13)で計算されるタイムスライス繰り返し率、つまりCANバス上の伝送速度が分数で表されることが判明したことを意味する。 このような場合、計算は行われません。 計算プロセスを自動化する CANTools プログラムは、実際のアプリケーションでどのパラメータの組み合わせが最適に使用されるかについての推奨事項を提供しません。 ネットワーク開発者は、既存の知識と経験に基づいて、提案されたオプションの中から最適なオプションを選択する必要があります。 CAN をマスターし始めたばかりのユーザーには、著者は次のルールに従うことをお勧めします。ビットの開始とサンプリング点の間の間隔は、ビット期間の 70 ～ 85% の範囲にある必要があります。 。 おそらく、実際には、プログラムによって提案されたオプションの中からいくつかのオプションを実際にテストする必要があるでしょう。 CANTools プログラムは、ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/01/can.zip からダウンロードできます。 文学
著者：A。アブラモビッチ
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