如何确保CAN网络低延迟通信

电子设计联盟

ee3fmzviqqw640181900.gif

点击上方蓝色字体，关注我们
& O1 _3 u* U" e* t6 B- O
: M- R* C  `2 e6 M7 Q6 t* S% h
在CAN总线中，实时性表现为数据传输的延迟和响应时间。

在多节点通信中，多个设备通过同一个总线传输数据，这意味着多个消息可能会同时请求发送，进而影响总线的访问顺序和数据传输的实时性。

( T5 s5 @0 O$ [4 c# i& H4 G4 P+ f

j30jwimly0z640182001.png

( a6 a, r' J6 p: M4 {5 b9 X
0 `' f6 A9 ?1 \2 ?2 i1
延迟的来源
4 [5 N$ L5 E& E  zCAN网络中的延迟主要来源于以下几个方面：
2 a1 j, l+ V! o9 V7 z- O0 ~

总线访问冲突： CAN采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议，允许多个设备在同一总线上争用传输权。当多个设备同时请求发送数据时，总线仲裁机制（基于优先级）会确定哪个节点先发送数据。虽然仲裁过程非常快速，但在节点数多、通信繁忙时，可能会引入一定的延迟。

消息优先级： CAN总线通过消息的标识符（ID）决定消息的优先级。ID较小的消息具有较高优先级。如果低优先级消息正在传输，高优先级消息会被挂起，直到低优先级消息传输完成。这可能导致高优先级消息的延迟，尤其是在总线负荷较重时。

帧长度： 数据帧的长度直接影响消息的传输时间。CAN协议的最大数据帧长度为8字节，每个数据字节的传输需要若干比特时间。此外，CAN协议的传输速率（如1Mbps）也会影响帧的传输速度。

2
实时性要求
* R/ @0 L$ ]) r在一些关键应用中，如汽车安全系统、工业自动化等，CAN网络的实时性要求十分严格。

* @6 K  P# {5 a/ U) T实时性通常分为硬实时和软实时：

硬实时要求： 数据必须在严格的时间窗口内传输完成，否则系统将无法正常工作（如气囊、ABS等安全系统）。

软实时要求： 数据传输有一定的灵活性，延迟可以容忍，但过长的延迟可能影响系统的整体性能（如车辆娱乐系统、温度传感器等）。
6 R. X6 p7 b- l9 z3 f( b
! V; M2 `. {2 l* e* ]. s1 U3
延迟分析模型
4 @* {0 i' T( O* v' @2 U2 s: f为了深入了解延迟的影响，可以通过以下几个因素来分析：

传输延迟： 包括数据帧的传输时间、仲裁时间等。每个数据帧的传输时间可以通过以下公式计算：
# _5 e0 B' ~2 R2 G
  z) j: r  n1 R5 e1 U/ [8 r) k$ M- M

nzkbhpjav2w640182101.png

其中，Lframe是数据帧的长度（以比特为单位），Rbus是总线速率（以比特每秒为单位）。
* P: z! f& B1 K; {% s
" D  y& p8 F1 Z. S5 z5 T这代表了消息传输的基础延迟。

% Q' L5 v" [2 Q% Y" n

仲裁延迟： 因为CAN采用优先级仲裁，消息的优先级和总线的负载情况会影响仲裁的延迟。在高负载情况下，低优先级消息可能需要等待较长时间才能访问总线。

排队延迟： 如果多个节点同时发送消息，较低优先级的消息会被挂起，形成排队延迟。特别是当多个节点发送频繁时，可能导致高优先级消息等待较长时间。

4
2 U$ L+ j- s& s7 I! X优化低延迟通信的策略
  ^" R- ?0 I7 f/ e4 O; n9 c$ f% z6 h为了确保CAN总线的低延迟通信，可以采取以下优化策略：

1. 优化消息优先级
CAN总线使用消息标识符（ID）决定消息的优先级，ID越小，优先级越高。
. u- U: Z8 a, s: I2 k4 n
在设计CAN网络时，可以通过合理分配消息ID来确保重要的消息获得较高的优先级。
6 g$ x1 R  P) @8 U2 m+ _
9 ], C% ?, n+ B对于实时性要求高的应用，可以将关键控制信号分配较小的ID，确保其能够在短时间内被传输。
( |" T& P4 _! s; {4 r+ b7 h
. G8 ?' k1 p: ^" ]- F  g2. 减少消息长度

较长的数据帧会导致较长的传输时间，从而增加延迟。
+ K2 i8 T8 n, M7 w" J; r: M
在设计CAN消息时，应尽量减少数据帧的长度。

如果传输的数据量较大，可以考虑将数据分割成多个较小的消息，以减少每个消息的传输时间，虽然这样会增加消息的数量，但可以减小单个消息的延迟。
6 {. t, p2 ~/ I% j5 k
3. 使用较高的总线速率
4 W0 F; @. N7 o, h$ w" C+ c7 P提高总线速率（如从500kbps提高到1Mbps）可以有效减少每个数据帧的传输时间，从而减少延迟。
5 ?" r2 Z& ]" B6 L' i0 c
9 P8 }1 Q4 V; t然而，提高总线速率可能会对信号质量和总线长度产生影响，因此在实际应用中需要平衡速率与信号稳定性。
1 e: B, ]! X! }+ N: a* x
4. 优化节点设计
各个节点的硬件和软件设计也会影响延迟。
# u3 q) x+ W3 F- W! |6 r
5 R& t  f6 d- L: Q" _! }+ e7 P3 S在嵌入式系统中，节点的处理速度、内存管理、任务调度等因素都会影响消息的处理速度。

合理设计任务调度算法（如采用优先级调度或基于事件触发的调度机制）可以减少节点的响应时间，从而降低整体通信延迟。
- o2 @/ g, Q% G, O1 g
5. 使用分布式调度策略
对于某些实时性要求较高的应用，可能需要在多个节点之间采用分布式调度策略。

+ [6 g0 v7 n( p& f) X这种策略通过动态分配资源、调节节点发送消息的时间窗口等方法，减少总线的竞争和排队延迟。

例如，在多个节点需要发送数据的情况下，可以通过调整节点之间的发送周期，避免节点之间的消息冲突，从而减少延迟。

/ A  b5 u: }9 S  K& `, v6. 采用CAN-FD（Flexible Data-rate）
CAN-FD是CAN的一个扩展版本，支持更高的数据速率和更大的数据帧。
8 X9 `5 g, G( F0 T6 Q
CAN-FD允许每个数据帧传输更多的数据，并且能够在数据传输阶段使用更高的速率，从而提高总线的有效带宽，减少总线拥塞，降低延迟。
% F# X) B" I8 N+ j
" p  @" C9 `) w2 e* R6 `( `尤其对于需要传输大量数据的应用，CAN-FD能够显著提高传输效率和实时性。

1 v8 g$ c% ^! V" z/ Q7. 网络拓扑优化
& Q6 S" u# i. f1 ~3 U9 w  p: NCAN总线的网络拓扑结构也会影响传输延迟。
尽量避免复杂的拓扑结构和长的总线线缆，以减少信号传播的延迟。

采用星型或总线型拓扑可以减少信号传输路径的长度，提高实时性。
, C2 z0 g7 o: P5 L
8. 合理配置节点的通信周期
每个节点的通信周期决定了消息发送的频率。

通过合理配置节点的周期，可以避免频繁发送消息导致总线拥塞。

# O+ B' z! W4 ]: |对于实时性要求较高的节点，可以配置更短的周期，以确保数据尽快传输。

对低优先级的节点，可以适当增加发送周期，以减少对总线的占用。

vo2nkb0updj640182201.jpg

lnpfdqlsdtj640182301.gif

$ q  e& s8 u# {+ Y0 v! x点击阅读原文，更精彩~