位定时与同步

1.位时间

1.1相关基本概念

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1）系统时钟：记为 $t_{clk}$ ；
2）CAN时钟周期：CAN时钟是由系统时钟分频而来的一个时间长度值，表示CAN控制器的工作时钟，实际上就是一个时间份额 $t_Q$ 。可以按照下面的公式计算：
- 时间份额 $t_Q$ ：1. CAN控制器的一个时钟周期
  2. CAN控制器工作的最小时间单位
3）BRP：叫做波特率预分频值（baud rate prescaler）；
由前面的图可知，上述三者存在以下的公式关系：
$t_Q=t_{clk}\times BRP$
注意：可以在网络上看到一些博客把上述公式记为： $t_Q=t_{clk}\times (BRP+1)$ 。实际上分频值是存在一个寄存器里面的，且从0开始，这里是取得BRP的值为该寄存器里面的实际值，也是对的，至于这两种写法谁更标准，可能需要去翻阅相关官方文档。

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4） 位时间：位时间表示一个二进制位在总线上传输时所需要的时间。如上图所示，在本文中，则指的是CAN通信的位时间。
- 一个位可以分为四个时间段；
- 每个段又由若干个 $t_Q$ 构成，位时间大概包含8~25 $t_Q$ ；
- $波特率=\frac{1}{位时间}$

1.2 位时间分段

1）同步段（Synchronization Segment）
- 固定长度为一个 $t_Q$
- 一个位的传输时从同步开始的；
- 同步段用于同步总线上的各个节点，多个连接在总线上的单元通过此段实现时序调整，从而能同步进行接收和发送的工作，一个位的跳变沿在此时间段内；
2）传播段（Propagation Segment）(记为 $t_{Prop}$ )
- 传播段时长可编程（1~8个时间份额 $t_Q$ ）。
- 传播段用于补偿报文在总线和节点上传输时所产生的时间延迟；
- 传播段时长 $\ge 2 \times$ 报文在总线和节点上传输时产生的时间延迟；
传播延时：

其中，发送单元的输出延迟接收单元的输入延迟分别表示CAN收发器到CAN控制器之间的延时。
在CAN网络上，两个节点之间进行通信，CAN报文首先从控制节点的控制器发出，经过CAN收发器发送到总线上，再通过一段距离的传输，到达接收节点的CAN收发器CAN控制器，最后接收节点发出ACK显性应答位，重复上述过程到达发送节点，可以看到一次单向传输的延迟包括发送单元的输出延迟，总线上信号传播延迟，接收单元的输入延迟。
3）相位缓冲段1（Phase Buffer Segment1）和 相位缓冲段2（Phase Buffer Segment2）
- 用于补偿总线上的边沿相位误差；
- 用于补偿节点间的晶振误差；
- 允许通过重同步延长PBS1或缩短PBS2从而补偿同步误差（因为时钟的偏差，传送延迟等，各单元会有同步误差）；
- PBS<PBS2
- 在PBS1时间段的末端进行总线状态的采样；
- 长度可编程：PBS1为1_{8$t_Q$、PBS2为2}8 $t_Q$
同步跳转宽度SJW(reSynchronization Jump Width)
a. SJW是相位缓冲段PBS1和PBS2调整的最大值。
b. SJW的值可以通过编程从1~4中取值。
c. SJW的值 $\le\min\{PB1,PB2\}$
d. 由于PBS1>PBS2，加上前面b和c，进一步可以推导出：1 $\le$ SJW的值 $\le\min\{PBS1,4\}$ 。
问题:对于SJW的值，为什么只能取1~4，还是很疑惑。
4）采样点（Sample Point）
- 采样点一般位于相位缓冲段1之后，采样点是读取总线电平，并解释各位的值的一个时间点，采样点对CAN总线来说也非常重要，尤其在组网的时候，多个节点尽量保持同一个采样点，且最好在但不超过7/8位时间点上。

1.3 总线分段

CAN从总线采用的是一部串行通信，为了保证报文的接收节点能在正确的采样点采集到准确的点评，因此采用了总线同步的机制，CAN的同步则包括了硬同步和重同步。

同步规则：
a. 一个位时间内只允许一种同步方式；
b. 任何一个“隐性”到“显性”的跳变都可用于同步。

1）硬同步

硬同步发生在SOF位，所有接收节点调整各自当前位的同步，调整宽度不限，使其位于发送的SOF内。

例子：

由上图可以看到，发送节点在发送SOF位时，SOF位的下降沿在此时位时间的同步段(SS段)，此时接收节点发现自己当前位的同步段和发送节点的SOF的同步段并没有同步到同一时间(由上图可知接收节点SOF位的同步段要比发送节点的SOF位的同步段时间快6个 $t_Q$ ，为了使得发送节点和接收节点同步，接收节点会令自己的同步段向后调整6个 $t_Q$ ，使得自己的同步段与发送节点的同步段同步。

从这个例子也可以看出，硬同步只是在SOF时起作用，并不能确保后续的CAN帧的位时序都是同步的。那么后续CAN帧的位时序同步都是怎么保证的呢，此时就需要引入重同步了。
2）重同步
重同步是指，接收节点检测出出了SOF位意外的其他位，通过调整位时序进行的同步调整。重同步会通过加长PBS1或者PBS2来调整同步，从而保证采样点的准确。

例子1：

当发送端跳变沿落比接收端跳变沿晚两个 $t_Q$ ，则接收端节点的PBS1应该延长两个 $t_Q$ ，则可使得发送端和接收端的采样点对齐。

例子2：

当发送端跳变沿落比接收端跳变沿早两个 $t_Q$ ，则接收端节点的PBS2应缩短两个 $t_Q$ ，那么接收端的下一个位时间中，采样点可以提前两个 $t_Q$ ，从而使得发送和接收端的下一位采样点能够同步。