LPC54018的CAN-FD

NXP管管

小编今天给大家介绍LPC54018芯片的CAN-FD。LPC54018的CAN控制器支持经典CAN和CAN-FD功能。这里说的经典CAN是指CAN协议2.0版本part A、B，CAN-FD是指国际标准ISO 11898-1:2015。
然而，小编并不打算在这里给大家介绍这些协议和标准，小编只是简单介绍CAN和CAN-FD的差异以及在LPC54018上使用CAN-FD的几个关键问题。


—————— CAN和CAN-FD ——————

一个典型的CAN总线、CAN收发器和CAN控制器的连接图，如下图所示。

  图一  

RT是终端匹配电阻，用来提高CAN总线的抗干扰能力。

TJA1059是NXP一款CAN总线收发器芯片，用来把数字信号转换为CAN总线的差分信号，或者把接收的差分信号转换成数字信号。

CAN控制器和CAN收发器之间传输的帧都是数字信号。而CAN协议规定，CAN通信通过数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧和帧间隔这5种帧类型来进行。小编在这里主要通过数据帧来介绍经典CAN和CAN-FD的差异。

CAN-FD与经典CAN相比，主要有两点不同。
     一是增加了每个数据帧的负载数据。经典CAN数据帧的最大负载数据是8个字节，而CAN-FD最大负载数据是经典CAN的8倍，达到了64个字节。
     二是拥有更高的位速率。经典CAN的最高位速率被限定在1Mbps，而CAN-FD则没有此限制。在实践中，CAN-FD位速率主要被CAN收发器所限制，目前CAN收发器的位速率达到了5Mbps甚至更高。

经典CAN数据帧、无位速率转换CAN-FD数据帧和2倍位速率转换CAN-FD数据帧，它们的帧结构示意图如图二所示，这些都是标准的格式。通过这个图，大家可以直观地了解CAN-FD与经典CAN的不同。

  图二  

帧结构的区分
我们知道，一个经典CAN数据帧由7个段构成。它们分别是帧起始(SOF)、仲裁段(CANID/RTR)、控制段(IDE/FDF/DLC)、数据段(DATA BYTE)、CRC段(CRC15/CRCD)、ACK段(ACK/ACKD)和帧结束(EOF)，如图二第一个数据帧结构所示。
CAN-FD数据帧同样由7个段构成，除了帧起始、仲裁段、ACK段和帧结束这4个段保持与经典CAN相同外，其余3个段与经典CAN有所不同。
CAN-FD数据帧的控制段由IDE / FDF / res / BRS / ESI / DLC等控制位构成，其中FDF控制位表示该数据帧是否为CAN-FD数据帧，BRS控制位表示该数据帧是否为位速率转换数据帧，长为4 bit的DLC控制位表示该数据帧的数据段长度。

帧长度的区分
前面提到了CAN-FD与经典CAN不同点之一是数据帧最大负载数据不同。数据长度码DLC的位宽为4，它具体表示为：当DLC的数值为0-8时，CAN和CAN-FD数据帧有0-8个字节的数据；当DLC的数值为9-15时，CAN数据帧都是8个字节的数据，CAN-FD数据帧则有12 / 16 / 20 / 24 / 32 / 48 / 64个字节的数据。

位速率的区分
CAN-FD与经典CAN另一不同点是CAN-FD数据帧有更高的位速率，这一点体现在图二的第二和第三个数据帧结构图上，第三个数据帧的位速率是第二个数据帧的2倍。在控制段的BRS控制位和它之前的所有位，以及ACK段的ACK位和它之后的所有位，它们的最高位速率为1Mbps。如果BRS控制位为1，表示该数据帧从ESI位开始到ACKD位结束，它们转换为更高的位速率。如果BRS控制位为0，则表示整个数据帧都以相同位速率传输。

CRC校验的区分
此外，CAN-FD与经典CAN在CRC段的不同，主要体现在经典CAN数据帧的数据循环冗余校验都是用CRC-15。而CAN-FD数据帧，当数据小于等于16个字节时，使用CRC-17；当数据大于16个字节时，则使用更长的CRC-21。这样，CAN-FD数据帧的数据具有更高的安全性。


—————— 在LPC54018上使用CAN-FD ——————

在LPC54018上使用CAN-FD来传输数据，它主要分这几个步骤：设置CAN功能模块的时钟，初始化CAN控制器，设置接收FIFO或发送Buffer，设置CAN控制器工作模式，最后收或发CAN-FD数据。小编在本文里主要介绍初始化CAN控制器的CAN-FD位速率设置和CAN收发器延迟补偿机制。

CAN-FD位速率设置

根据CAN规范的定义，由发送单元在非同步的情况下，发送的每秒钟的位数称为位速率。1个位可分为4段。这些段分别为：
- 同步段（SYNC_SEG）
- 传播时间段（PROP_SEG）
- 相位缓冲段1（PHASE_SEG1）
- 相位缓冲段2（PHASE_SEG2）
一个位的构成如图三所示。

  图三  

这些段又由称为时间量子Tq(Time Quanta)的最小时间单位构成。
1个位分为4个段，每个段又由若干个Tq 构成，这就称为位时序。假如1个位时序中，同步段为1个Tq，传播时间段为1个Tq，相位缓冲段1为4个Tq，相位缓冲段2为4个Tq，那这个位的位时序构成如图四所示。

  图四  

假如CAN模块的时钟为60MHz，那如何设置仲裁段的位速率为1Mbps和数据段的位速率为5Mbps呢？仲裁段的位速率设置跟CAN模块的NBTP(Nominal bit timing and prescaler)寄存器相关，而数据段的位速率设置则跟DBTP(Data bit timing and prescaler)寄存器相关。

NBTP寄存器主要有NBRP(Nominal bit rate prescaler)、NTSEG1(Norminal time segment before sample point)和NTSEG2(Norminal time segment after sample point)这些位域。

NBRP是分频系数，用它对CAN时钟分频后得到位时序的Tq，Tq=(NBRP + 1)/CAN时钟。NTSEG1对应位时序的传播时间段和相位缓冲段1，有(NTSEG1 + 1)=(传播时间段 + 相位缓冲段1)。而NTSEG2对应位时序的相位缓冲段2，则有(NTSEG2 + 1)= 相位缓冲段2。

要设置仲裁段的位速率为1Mbps，则可以设置NBRP为2，NTSEG1为13，NTSEG2为4。那Tq=(2+1)/(60Mhz)=1/20us，1个比特位的时间=[1 + (NTSEG1 + 1) + (NTSEG2 + 1)] * Tq=[1 + (13 + 1) + (4 + 1)] * 1/20us=1us。它的位速率为1/(1us)=1Mbps。当然，其它的NBRP、NTSEG1和NTSEG2组合也可以设置1Mbps的位速率。

同样的，DBTP寄存器主要有DBRP、DTSEG1和DTSEG2位域。要设置5Mbps的位速率，则可以设置DBRP为0，DTSEG1为7，DTSEG2为2。那Tq=(0 + 1)/(60Mhz)=1/60us，1个比特位的时间=[1 + (DTSEG1 + 1) + (DTSEG2 + 1)] * Tq=[1 + (7 + 1) + (2 + 1)] * 1/60us=1/5us。它的位速率为1/(1/5us)=5Mbps。

到这里，小编就原理性地介绍完了CAN-FD仲裁段和数据段位速率的设置。

CAN收发器延迟补偿机制

要在LPC54018上使用CAN-FD功能，我们还需要避免数据段的位错误问题。
CAN规范中对位错误的定义为：CAN控制器比较输出电平和总线电平，当两电平不一样时所检测到的错误。
整个位错误检测的信号回路是这样：
首先信号从CAN控制器的Tx发出
然后经过CAN收发器转换为差分信号送到总线上
而该CAN收发器实时地接收总线的差分信号，并把它转换回数字信号再送到CAN控制器的Rx。
这个信号回路的时间就是CAN收发器的延迟时间，它的多少主要取决于每个CAN收发器本身的一些特性。
以NXP的TJA1059芯片为例，如图五所示，大概得到隐性电平的延迟时间=td(TXD - busdom) + td(busdom - RXD)=65ns + 60ns=125ns，显性电平的延迟时间= td(TXD - busrec) + td(busrec - RXD)=90ns + 65ns=155ns，取的是典型值。

  图五  

通常情况下，CAN控制器在每1位数据的相位缓冲段1结束时采样Rx电平，如图六和图七所示。我们接下来看看CAN收发器传输延迟是如何产生位错误的。

  图六  

  图七  

如果Transmitter Delay Time < (Sync-Seg + Prop-Seg + Phase Buffer Seg.1)，则不会因为传输延迟而产生位错误。

例如设置DBRP=0，DTSEG1=9，DTSEG2=3，得到数据段位速率为4Mbps，Tq=1/60us，并且每1位数据的采样点时间为[1 + (DTSEG1 + 1)] * Tq=11*Tq=183ns，而TJA1059的典型延迟时间155ns（取显性电平）比采样点时间小，不会导致位错误产生。

如果Transmitter Delay Time > (Sync-Seg + Prop-Seg + Phase Buffer Seg.1)，则传输延迟会导致位错误产生。

例如设置DBRP=0，DTSEG1=7，DTSEG2=2，得到数据段位速率为5Mbps，Tq=1/60us，并且每1位数据的采样点时间为[1 + (DTSEG1 + 1)] * Tq=9*Tq=150ns，而TJA1059的典型延迟时间155ns（取显性电平）比采用点时间大，会导致位错误产生。

针对上述位错误问题，LPC54018的CAN控制器使用延迟补偿机制来解决。如图七所示，在数据段里，CAN控制器通过一定的方法检测到延迟时间(Transmitter Delay Time)，然后再经过延迟补偿偏置(Transmitter Delay Compensation Offset)，得到Second Sample Point，并在该采样点对Rx电平采样并与该位的Tx电平比较。

而采样点就在Rx的(Sync-Seg + Prog-Seg + Phase Buffer Seg.1 + Phase Buffer Seg.2) / 2时间点上。这样，Rx采样到的电平就与该位Tx的电平一致。
用户可以在设置数据段位速率时，使能延迟补偿机制并配置延迟补偿偏置。LPC54018使能CAN延迟补偿机制功能需要设置DBTP寄存器的TDC位为1，而延迟补偿偏置则需要设置TDCR寄存器的TDCO位。通常设置TDCO=[1 + (DTSEG1 + 1) + (DTSEG2 + 1)]/2。

到这里，小编就介绍完了LPC54018 CAN-FD几个关键点，希望这会对用户理解和使用CAN-FD有些帮助。


文章出处：恩智浦MCU加油站

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不错支持一下~~~

mrhwt

看着就好复杂