DeviceNet現(xiàn)場總線的波特率自動檢測
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DeviceNet網(wǎng)絡(luò)允許的波特率共有三種：500K、250K、125K。在設(shè)備聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)之前，需要用戶根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的要求選擇一種工作波特率。為了滿足設(shè)備熱插拔的要求，很多接入設(shè)備除了提供波特率的人工設(shè)置之外，還必須具備波特率自動檢測的功能。
1 波特率自動檢測的前提條件
根據(jù)CAN總線的特點，每一個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點對接收到的報文都具有自動應(yīng)答機制，根據(jù)接收到的信息正確與否發(fā)出應(yīng)答信息和出錯信息。在設(shè)備聯(lián)入CAN網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信安全的要求，在沒有得到波特率的正確設(shè)置前，不允許發(fā)送任何的信息，也就是說，接入節(jié)點必須具有“只聽”功能。DeviceNet是基于CAN總線的協(xié)議規(guī)范，要實現(xiàn)接入設(shè)備的波特率自動檢測，也必須使通訊接口在波特率沒有確認(rèn)前處于“只聽”模式。
很多DeviceNet通訊接口在設(shè)計上都是采用CAN協(xié)議芯片或者內(nèi)嵌式的CAN接口，為了實現(xiàn)其“只聽”功能，可以在其發(fā)送接口與總線驅(qū)動芯片之間加上一級或門，如圖1所示。82C251是CAN總線驅(qū)動芯片，Gate就是“只聽”模式的門控信號，Tx是發(fā)送引腳，Rx是接收引腳。Gate、Tx以及CAN信號的狀態(tài)表如表1所示。在上電復(fù)位或者進行波特率自動檢測前，先將Gate設(shè)成1，這樣就可以封鎖Tx引腳，這樣，CAN接口的任何錯誤幀和應(yīng)答信息都不會被廣播出去。當(dāng)正確的波特率被選擇后，將Gate置0，就可以實現(xiàn)CAN信息的正常發(fā)送了。
也有一些CAN協(xié)議芯片內(nèi)部具有“只聽”功能，例如Philip的CAN控制芯片SJA1000，在其擴展CAN功能中就有對應(yīng)的模式寄存器，可以在不增加其他外部電路的情況下完成“只聽”模式的設(shè)置，其模式寄存器的位定義如下所示。
可見，只要將ModeControlReg的D1位設(shè)成1，就可以實現(xiàn)“只聽”模式。
2．波特率檢測的時機
波特率的自動檢測，是通過對網(wǎng)絡(luò)信息的偵聽來實現(xiàn)的，也就是說，網(wǎng)絡(luò)上首先要具有正確傳輸?shù)膱笪男畔?，接入設(shè)備才有可能識別出網(wǎng)絡(luò)的波特率信息。
首先，需要保證接入設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上電前已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)。這時，當(dāng)上電時，根據(jù)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，每一個從站節(jié)點都會有自檢和應(yīng)答信息，這給自動波特率檢測提供了較好的時機。
根據(jù)這一結(jié)論，還可以假想出波特率自動檢測的比較極端的情況，那就是“孤立節(jié)點”的情況，網(wǎng)絡(luò)上只有接入設(shè)備本身這一個節(jié)點，這時候網(wǎng)絡(luò)上沒有傳輸信息，也就無法偵聽和識別波特率，這種情況下只有等待，直到有另一節(jié)點加入或者主站設(shè)備主動發(fā)送有效信息。
3．總線定時器值的計算與設(shè)定
CAN總線是位仲裁機制，對于位定時有著嚴(yán)格的要求，而波特率的設(shè)置是通過對總線定時器的設(shè)置來實現(xiàn)的。位定時的要求主要體現(xiàn)在對于每一位的位時間的各個組成部分以及采樣次數(shù)的確定上。位時間的大小跟波特率有關(guān)，設(shè)位時間為T，波特率為B，則由式（1）確定。
每一位時間由固定數(shù)目的小時間份額組成，小時間份額的長度值是由芯片的晶振頻率和波特率的預(yù)分頻值決定的。設(shè)晶振頻率是Fosc, 小時間份額的長度為Ts，預(yù)分頻值為Brp，則：
Brp＝Ts×Fosc －1 （2）
位時間可劃分為幾個互不重疊的時間段，這些時間段的定義如圖2所示。
同步段和傳播段各為1個時間份額，其余的是相位緩沖段1和相位緩沖段2，而采樣點就在這兩個緩沖段之間?！ eviceNet是高速CAN網(wǎng)絡(luò)，采樣點的采樣次數(shù)為1次。根據(jù)圖2所示，位時間的小時間份額的數(shù)目確定了位時間的大小，從而確定了波特率的大小。設(shè)小時間份額為Ts,相位緩沖段1的時間份額為N1，相位緩沖段2的時間份額為N2，總的時間份額為N，則可以得出公式（3）。
N＝1＋1＋N1＋N2＝T/Ts (3)
總線定時參數(shù)確定之后，可以根據(jù)晶振的誤差算出最大允許傳播延遲時間：
上式（1＋N1）表示從同步點到采樣點的時間份額數(shù)。
N的值在應(yīng)用中一般設(shè)置成晶振頻率的整除數(shù)，而N1和N2的大小決定了采樣點的位置，具有一定的實驗數(shù)據(jù)支持，根據(jù)ODVA公布的參數(shù)，當(dāng)采樣點位于位時間的80％處時，采樣準(zhǔn)確性最大。以16M±1％晶振下，波特率為500K，N為16，則：
T＝1/500000=2 uS
Ts＝T/N=0.125 uS
根據(jù)采樣點位于80％的分配比例，
N1＝16×80％＝12 （取整數(shù)）
N2＝N－2－N1＝2
波特率的預(yù)分頻值根據(jù)式（2），有：
Brp＝（0.125×16）－1＝1
最大允許傳播延時
根據(jù)CAN2.0A規(guī)范，這個延遲時間是滿足要求的。在對于DeviceNet接口三種不同波特率的設(shè)置，只要改變預(yù)分頻值便可達到目的，其他參數(shù)可以參考上面的計算。
4．波特率自動檢測的軟件實現(xiàn)
以SJA1000為例來說明波特率自動檢測的軟件流程。SJA1000在PeliCAN 模式下才支持“只聽”模式，所以，在波特率檢測時，應(yīng)該將SJA1000設(shè)置成PeliCAN 模式。
軟件檢測的思想是根據(jù)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的特點確定的。對于 Devicenet網(wǎng)絡(luò)，只允許3種波特率:125K, 250K, 500K，采用“窮舉法”不會花費太多流程。節(jié)點可以預(yù)先配置成這三種波特率中的一個，當(dāng)波特率正確時，就會產(chǎn)生接收中斷，那么，預(yù)置的波特率就是正確的網(wǎng)絡(luò)波特率；如果產(chǎn)生總線錯誤中斷，則可以認(rèn)為，波特率設(shè)置錯誤，更換波特率設(shè)置重新偵聽。在啟動時，先將節(jié)點波特率設(shè)置成125K模式，同時允許接收和錯誤中斷。如果在CAN總線上產(chǎn)生錯誤，軟件就將波特率設(shè)成較高的波特率。為了可靠確認(rèn)，在連續(xù)2條信息的成功地接收后，就認(rèn)為當(dāng)前預(yù)設(shè)波特率是正確的，從而轉(zhuǎn)向正常工作模式。
流程圖如下：
波特率自動檢測是通過對于總線錯誤或者正確接收的仲裁實現(xiàn)的，在調(diào)試過程中，需要開放接收中斷和總線錯誤中斷。值得注意的是，在總線預(yù)設(shè)波特率不對的情況下，總線錯誤中斷相當(dāng)頻繁，如果處理不當(dāng)，就難于設(shè)置正確的波特率。通過調(diào)試，得出以下兩點體會：
1．切換波特率的依據(jù)是總線錯誤中斷，但是一般總線錯誤中斷標(biāo)志有可能和接收中斷一起接收到，這個時候，不能立即切換波特率，而是再觀察一幀信息，然后再確定是否找到波特率；如果單純總線錯誤，則立即切換波特率。
2．隨著波特率的提高，總線錯誤中斷會更加頻繁，所以中斷的響應(yīng)要迅速，處理代碼要短，不然就會影響其他的程序流程。特別是500K波特率時，自動波特率檢測的時序要特別注意，有可能會造成SJA1000復(fù)位的情況，這時候有可能損失用于檢測波特率的信息。
5．結(jié)論
DeviceNet現(xiàn)場總線波特率的自動檢測方案可以推廣到其他基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)接入中，只要待接入的網(wǎng)絡(luò)上具有有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文，另外波特率值在一定的預(yù)選值范圍內(nèi)，這個方案都是可行有效的。在實際應(yīng)用中，該波特率自動檢測技術(shù)得到較為成功的驗證。
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