Калькулятор битового тайминга CAN

Как пользоваться калькулятором

1. Контроллер. MCP2515 — внешний контроллер CAN с интерфейсом SPI, bxCAN — встроенный контроллер классического CAN в STM32. Для модуля FDCAN значения не подходят: у него другие регистры.
2. Частота тактирования. Для MCP2515 это частота кварца или внешнего генератора на выводе OSC1: до 40 МГц при питании 4,5–5,5 В и до 25 МГц при 2,7–5,5 В. Для bxCAN это PCLK1 — частота шины APB1, от которой тактируется модуль, а не частота ядра. Число без приставки — мегагерцы.
3. Скорость шины в кбит/с, до 1000: быстрее классический CAN не работает.
4. Точка выборки в процентах длины бита, от 50 до 95. Калькулятор возьмёт ближайшую достижимую и покажет рядом заданную.
5. SJW — на сколько квантов контроллер может подстроить бит по фронту сигнала, от 1 до 4.

В результате — значения регистров, поле BRP и длина кванта, раскладка бита по сегментам, фактические точка выборки и скорость, допуск частоты генератора. Для STM32 те же числа показаны в виде полей структуры CAN_InitTypeDef библиотеки HAL. Под результатом — до четырёх других настроек с той же скоростью: с другим числом квантов и другой точкой выборки. Введённые значения сохраняются в адресе страницы, поэтому расчётом можно поделиться: кнопка под калькулятором копирует результат вместе со ссылкой.

Формулы

Бит состоит из $N$ квантов времени: один квант синхронизации, $T_1$ квантов до точки выборки и $T_2$ после неё. Квант — это $k$ периодов тактовой частоты $f$:

У MCP2515 $k = 2 \cdot (\text{BRP} + 1)$, $T_1$ — сумма Prop_Seg и PS1, $T_2$ — это PS2. У bxCAN $k = \text{BRP} + 1$, $T_1$ — сегмент BS1, $T_2$ — сегмент BS2. Пределы, в которых калькулятор ищет настройку:

Prop_Seg и PS1 у MCP2515 — от 1 до 8 квантов каждый. Даташит добавляет два правила, которые калькулятор проверяет: Prop_Seg + PS1 не короче PS2, а PS2 длиннее SJW. Сегмент до точки выборки калькулятор делит так же, как драйвер Linux: Prop_Seg — половина с округлением вниз, остальное — PS1.

Найденные длины упаковываются в регистры. Каждое поле хранит длину, уменьшенную на единицу:

CAN_BTR = (SJW − 1) << 24 | (BS2 − 1) << 20 | (BS1 − 1) << 16 | BRP

CNF1 = (SJW − 1) << 6 | BRP
CNF2 = 0x80 | (PS1 − 1) << 3 | (Prop_Seg − 1)
CNF3 = PS2 − 1

Слагаемое 0x80 в CNF2 — бит BTLMODE: с ним длину PS2 задаёт регистр CNF3. Бит SAM калькулятор оставляет нулевым — одна выборка на бит; в CAN_BTR нулевыми остаются биты SILM и LBKM, то есть режим обычный.

Допуск частоты генератора — насколько частота каждого узла может отклониться от номинала, чтобы узлы не теряли синхронизацию. Калькулятор считает его по двум условиям из работы инженеров Bosch и берёт меньшее значение:

Для bxCAN на месте PS1 и PS2 стоят BS1 и BS2.

Как калькулятор выбирает настройку

Одну и ту же скорость обычно дают несколько пар «делитель и число квантов». Порядок выбора такой:

1. наименьшая ошибка скорости — точные настройки всегда впереди;
2. в бите не меньше 8 квантов: спецификация Bosch требует от контроллера поддержки 8–25 квантов, и более короткий бит используется, только если других вариантов нет;
3. точка выборки ближе всего к заданной;
4. при равном отклонении — более ранняя точка выборки: после неё остаётся больше запаса на подстройку;
5. при прочих равных — больше квантов в бите.

Пример расчёта: STM32, PCLK1 = 42 МГц, 250 кбит/с

Точка выборки 87,5 %, SJW = 1.

1. На один бит приходится 42 000 000 / 250 000 = 168 периодов PCLK1.
2. Раскладываем 168 на делитель и число квантов от 8 до 25: 7 × 24, 8 × 21, 12 × 14, 14 × 12 и 21 × 8.
3. Для каждого варианта подбираем BS1 и BS2 так, чтобы точка выборки была ближе к 87,5 %. BS1 не длиннее 16 квантов, поэтому в длинных битах точка выборки получается ранней:

4. В точку попадает первая строка: делитель 21, то есть BRP = 20, квант 500 нс, в бите 8 = 1 + 6 + 1 квантов.
5. Регистр: CAN_BTR = 0 << 24 | 0 << 20 | 5 << 16 | 20 = 0x00050014. В HAL: Prescaler = 21, TimeSeg1 = CAN_BS1_6TQ, TimeSeg2 = CAN_BS2_1TQ, SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ.
6. Допуск генератора: первое условие даёт 1 / (2 · (13 · 8 − 1)) = 0,49 %, второе — 1 / (20 · 8) = 0,625 %. Действует меньшее: ±0,49 %.

Калькулятор покажет то же самое, а остальные четыре строки таблицы — в списке других вариантов. Если поставить SJW = 2, строка с BS2 = 1 отпадает: SJW не может быть длиннее BS2. Тогда калькулятор выберет вторую строку: Prescaler = 12, BS1 = 11, BS2 = 2, 14 квантов, точка выборки 85,7 %, CAN_BTR = 0x011A000B, допуск ±0,56 %.

Готовые значения регистров

Таблицы посчитаны тем же алгоритмом, что и калькулятор, для точки выборки 87,5 % и SJW = 1. В них попали только настройки с точной скоростью и не меньше чем 8 квантами в бите; там, где такой настройки нет, указана причина. Для другой точки выборки или SJW введите свои числа в калькулятор.

STM32 bxCAN: Prescaler, BS1, BS2 и CAN_BTR

Prescaler, BS1 и BS2 — значения для HAL, длины в квантах; CAN_BTR — то же самое одним числом для записи в регистр.

MCP2515: CNF1, CNF2 и CNF3

Значения для BTLMODE = 1. Сумма в столбце «Квантов в бите» — квант синхронизации, Prop_Seg, PS1 и PS2.

Точка выборки у MCP2515 с 8 квантами в бите — 75 %: PS2 не бывает короче 2 квантов. С кварцем 20 МГц на большинстве скоростей бит состоит из 20 квантов, и ближайшая к 87,5 % точка выборки — 85 %.

Типичные ошибки

• Вместо PCLK1 подставлена частота ядра. bxCAN тактируется от шины APB1. Если делитель этой шины не равен единице, PCLK1 ниже частоты ядра, и реальная скорость окажется во столько же раз ниже расчётной.
• В поле Prescaler записан BRP. В HAL поле Prescaler — это делитель от 1 до 1024, единицу функция HAL_CAN_Init вычитает сама. BRP на единицу меньше, и он нужен, только если писать в CAN_BTR напрямую.
• Длины сегментов записаны в регистр как есть. Поля регистров хранят длину минус один: BS1 = 6 квантов — это 5 в поле TS1, PS2 = 2 кванта — это 1 в CNF3. Константы HAL вида CAN_BS1_6TQ уже учитывают это.
• У MCP2515 не установлен BTLMODE. Без него микросхема не смотрит в CNF3 и берёт PS2 равным большему из PS1 и 2 квантов. Если записать CNF2 = 0x35 вместо 0xB5, PS2 станет 7 квантов вместо 2, бит — 21 квант вместо 16, и с кварцем 16 МГц вместо 500 кбит/с получится 381 кбит/с.
• Частота кварца в программе не та, что на плате. Квант MCP2515 задаётся в периодах кварца, поэтому значения для 16 МГц на плате с кварцем 8 МГц дадут ровно половину скорости.
• Регистры записаны не в том режиме. CNF1–CNF3 меняются только в режиме конфигурации MCP2515. HAL_CAN_Init перед записью CAN_BTR сама переводит bxCAN в режим инициализации.
• Разные точки выборки у узлов. По спецификации Bosch положение точки выборки следует выбирать общим для всех узлов. Если узлы настраивают разные люди, договоритесь о скорости, точке выборки и SJW заранее.
• Скорость «почти та». Ошибка скорости расходует допуск генератора. Когда калькулятор предупреждает, что ошибка не меньше допуска, настройкой пользоваться нельзя — нужна другая тактовая частота.

Калькулятор отвечает на вопрос, что записать в регистры. Хватит ли сегмента до точки выборки на задержки в линии заданной длины и что происходит с битом при подстройке — в разделе «Битовый тайминг» статьи о шине CAN.