CAN总线作为异步通信方式，收发双方节点需约定相同的波特率进行通讯，但由于各种因素影响，接收方的数据总会有误差，当误差过大时，整个通讯网络将不能正常通讯。那么，该如何保障CAN节点之间通信同步呢？

CAN同步机制

1、CAN时钟

首先了解一下CAN总线系统中的两个时钟：晶振时钟周期和CAN时钟周期。

晶振时钟周期：是由单片机振荡器的晶振频率决定的，指的是振荡器每振荡一次所消耗的时间长度，也是整个系统中最小的时间单位。

CAN时钟周期：CAN时钟是由系统时钟分频而来的时间长度值，实际上就是一个时间份额Tq。

图1 CAN时钟与位时间的关系

其中，CAN位时间表示CAN的一位二进制数据所保持的时间，具体关系如图2所示。

图2  CAN总线二进制报文与位时间关系

2、位时序

CAN总线作为串行通信，发送单元采用不归零编码，将数据以位流形式发送到总线上，并且每一位数据位宽都由CAN控制器的N个时钟周期组成，该时钟周期则为最小的时间单位Time Quantum（以下称为Tq），这N个Tq被分为四段：同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）、相位缓冲段2（PBS2），而采样点位置处于PBS1和PBS2的交界处。

1位分为4个段，每个段又由若干个Tq构成，这称为位时序,如图3所示。

图3 同TQ数量情况下不同采样点的配置时序

其中，各段的作用为：

同步段（SS:Synchronization Segment）：CAN网络中的所有节点，在接收一位数据时，以此段作为位起始的参考点，进行下降沿的检测，统计下降沿基于SS段的偏移，然后进行位时序的调整，使接收趋于同步（下降沿在理想情况下应出现在SS段）。需注意，进行位时序调整的条件是检测到下降沿，若无下降沿则不进行调整，因此为了避免多个相同连续位出现导致位时序得不到调整，产生不同步的情况，CAN控制器增加了填充位的概念，当出现连续5个相同位后，添加一位相反电平的填充位。SS段长度固定为1个Tq。

传播时间段（PTS:Propagation Time Segment）：CAN总线上数据的传输会受到物理延迟，比如发送单元的发送延迟、总线上信号的传播延迟、接收单元的输入延迟等，PTS段就是用来补偿这些因素产生的时间延迟。而PTS段长度至少应为这些因素产生的时间延时的2倍，PTS段长度至少为1个Tq。

相位缓冲段1（PBS1:Phase Buffer Segment 1）：若下降沿延后N个Tq，且延迟不大于同步跳转宽度，使得原本位时序中采样点位置提前N个Tq，则需要对PBS1段增加N个Tq数（使采样点位置延后N个Tq），吸收这段误差。PBS1段长度至少为1个Tq。

相位缓冲段2（PBS2:Phase Buffer Segment 2）：若跳变边沿提前N个Tq, 且不大于同步跳转宽度，使得原本位时序中采样点位置延后N个Tq,则需要对上一个位时序的PBS2段减少N个Tq数（使采样点位置提前N个Tq），吸收这段误差。PBS2段长度至少为2个Tq。

重同步补偿宽度（SJW: reSynchronization Jump Width）：SJW为PBS1增加或PBS2减少的最大Tq数。

3、CAN同步的策略

CAN同步是以位为单位，每接收一个下降沿，则进行一次同步。发送单元以约定好的位时序进行数据发送。接收单元根据总线上接收到的下降沿进行位时序同步。

但是，发送节点和接收节点作为互相独立的硬件个体，时钟频率误差、传输路径上的（电缆、驱动器等）相位延迟等都会引起时序偏差。因此接收单元需通过硬同步或者重同步的方法进行位时序调整。如图4帧结构所示，硬同步只在空闲状态检测出第一个下降沿（帧起始下降沿）时进行，而重同步则在其余各段进行。

图4  CAN标准数据帧结构

4、硬同步

接收单元在总线空闲状态检测出第一个下降沿时（对应报文的SOF下降沿）进行的同步调整。在检测到SOF的下降沿时，直接将此下降沿的位置认为是SS段，然后按照位时序对信号进行采样，达到同步的效果。硬同步的过程如图5所示。

图5 硬同步将下降沿位置标识为SS段

5、重同步

硬同步只是在总线空闲时检测出下降沿（帧起始）时进行，后续CAN报文数据位的同步则需要通过调整位时序来进行重同步。在接收过程中检测出总线上的下降沿来临时，根据SJW值通过加长PBS1段，或缩短PBS2段，以调整同步。但如果发生了超出SJW值的误差时，最大调整量不能超过SJW值。重同步的过程如图6、图7所示。

图6 同步前下降沿延后2个Tq

图7 同步后PBS1增加2个Tq

其中，图6可以有另一种理解：CAN总线上通讯的误差我们也可以量化，量化成Tq数。图6中对误差的量化结果为下降沿延后2个Tq，因此在图7重同步时在PBS1段增加2个Tq；但总线误差真的就刚好是2个Tq吗？答案是否定的，当位时序总Tq数越大，对误差的量化就会越精确，重同步的同步效果就越理想。因此，合理配置位时序的Tq数极为重要。

6、位时序计算

位时序在底层、微观上可体现为误差的量化，在上层、宏观上又体现为波特率(Baud)和采样点位置(Samp_pos)。在位时序中，波特率的表现形式为总Tq数，采样点位置的表现形式为各段的Tq数（采样点位置处于PBS1和PBS2的交界处）。他们之间的换算关系如下。其中：CLK为当前时钟频率，DIV是分频系数。

若当前时钟频率CLK=80M，用户配置Baud =1M，Samp_pos =80%。DIV=1时，Tq个数N = 80M/1M = 80；DIV=2时，Tq个数N = 80M / 2 / 1M = 40。

以40个Tq数为例（SS+PTS+PBS1+PBS2=40），各段Tq数应满足以下计算公式，其中TSEG1为PTS和PBS1的合并（CAN控制器将二者视为一段）,TSEG2为PBS2段。

计算可得SS=1，TSEG1 = 31，TSEG2=8。通过计算结果配置CAN控制器相应寄存器，即可得到相应的波特率及采样点位置。

注意，不同的分频系数DIV，对应不同的Tq数，但都满足位时序要求，在选择时我们应尽可能选择小的分频系数（多的Tq数），这样的位时序调整会更加准确，同步效果越理想。

总结

CAN总线没有时钟线，严格来讲并不是同步通讯，但它存在位时序调整这种特殊的同步机制，使得CAN通讯的可靠性无限接近于同步通讯。因此，即使汽车的电子控制单元（ECU）在不断增加，但CAN总线依旧凭借自身的高可靠性，在汽车控制领域被大量应用。

ZPS-CANFD是致远电子总线分析仪第二代CAN总线开发辅助工具，是适用于CANFD、CAN、LIN总线的测量及测试仪器，支持总线数据的发送和接收，高层协议解析及诊断，能对CANFD、CAN总线物理层电气信号实时采集和记录，并附带有高速模拟通道、通用数字IO及模拟IO，通过提供的硬件接口及软件功能，用户能够便捷地构建总线信号测量与分析、节点功能仿真及测试、网络可靠性诊断及评估的自动化系统。

关键词:CAN同步机制 CAN总线 CAN时钟

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来 源：ZLG致远仪器

编辑：清风

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