如何使用 M460 CAN FD 收发器延迟补偿功能？

好的，我们来详细解释一下如何在 Nuvoton M460 系列微控制器中使用 CAN FD 控制器的延迟补偿功能。

核心概念：

1. 目的： 延迟补偿功能旨在补偿信号在 CAN 总线物理层（收发器芯片如 TJA146x/TJA104x 等 + PCB 走线 + 线缆 + 连接器等）上传播时产生的固定传播延迟。


2. 问题： 在高速 CAN FD 通信中（尤其是数据段波特率很高时，如 2Mbps 或 5Mbps），信号的物理传播时间可能占到单个位时间的很大一部分。这个延迟会导致：
   
   
   
   • 节点发送的信号到达其他节点的接收采样点位置发生偏移。
   
   
   • 如果偏移过大，可能引起采样错误（错误采样到位的值），进而导致通信失败。
   
   


3. 解决： 延迟补偿通过微调发送节点发送位的位置，使得信号在接收节点的采样点位置更接近理想状态。它本质上是将发送点提前了补偿的延迟时间。


4. 何时需要：
   
   
   
   • 总线长度较长： 物理延迟随着总线长度增加而增加。
   
   
   • 数据段波特率非常高： 每个位的时间更短，相对延迟更大。
   
   
   • 使用高延迟的 CAN 收发器。
   
   
   • 节点观察到在高速数据段传输时通信不稳定或出现错误帧。
   
   

在 M460 CAN FD 控制器中的使用步骤：

M460 的 CAN FD 控制器（通常称为 MCAN）内置了延迟补偿功能。启用和使用它主要涉及配置两个关键寄存器位域：

1. 
   

   配置 TDCR（Timing Delay Compensation Register）：

   
   
   
   
   • TDC（Timing Delay Compensation）： 这是最重要的位域之一。
     
     
     
     • CANx_TDCR_b.TDC[6:0]： 这 7 个位定义了延迟补偿位置。它指定了补偿值 (TDCO) 被插入的点在采样点之前多少个时间份额 (TQ)。
     
     
     • 设置 TDC = (Nominal Bit Time - Phase_Seg1) - 1
     
     
     • Nominal Bit Time： 标称位段（仲裁段）的时间份额总数 (TQ)。
     
     
     • Phase_Seg1： 标称位段的 Phase_Seg1 时间份额数。
     
     
     • 重要限制： TDC 的值必须小于 Nominal Bit Time - 2。否则延迟补偿可能不会正常工作或会被禁用。
     
     
   
   
   • TDCO（Timing Delay Compensation Offset）：
     
     
     
     • CANx_TDCR_b.TDCO[6:0]： 这 7 个位定义了实际要补偿的时间份额数量 (TQ)。这就是需要提前发送的量。
     
     
     • 需要根据你的网络物理延迟来计算：
       
       
       
       • 测量或估算信号从你节点到最远节点并返回所需的总传播时间 (t_prop_max)。
       
       
       • 根据当前标称波特率 (Nominal Baud Rate) 计算单个 TQ 的持续时间 (t_q_nom)。t_q_nom = 1 / (Nominal Baud Rate * TQ per Bit)。
       
       
       • TDCO = ceil(t_prop_max / t_q_nom)
       
       
     
     
     • 重要限制： TDCO 的值必须小于 TDC 的值。如果软件设置的 TDCO >= TDC，控制器会自动将 TDCO 设为零（即禁用延迟补偿）。
     
     
   
   
   • EDTSP (Enable Data Timing Synchronization and Prescaler):
     
     
     
     • CANx_TDCR_b.EDTSP： 通常需要置为 1。这样控制器会在高速数据段使用来自标称波特率预分频器 (NBTP) 的 PBRP 值来计算数据段的 TQ 时间。这对于后续计算 TDCO 很重要。
     
     
   
   
   
   


2. 
   

   配置 DBTP (Data Bit Timing and Prescaler)：

   
   
   
   
   • SSP（Secondary Sample Point）：
     
     
     
     • CANx_DBTP_b.SSP[3:0]： 定义一个相对于数据段位结束点的早期采样点。
     
     
     • 关键点： 必须将 SSP 配置为位于 Phase_Seg2 内部。
     
     
     • 公式： SSP = Phase_Seg2 - TDCO - 1。
     
     
     • 实际上，当启用延迟补偿 (TDCO > 0) 时，硬件会自动强制启用 SSP 模式，并使用 SSP 值作为补偿后在接收点的有效采样点位置。我们配置 SSP 是为了让硬件知道我们预期的最终采样点位置。
     
     
   
   
   
   


3. 
   

   启用延迟补偿：

   
   
   
   
   • 配置好 TDCR（特别是 TDC 和 TDCO）和 DBTP 后，设置 TDCR.TDCO > 0 就是主要的启用操作。
   
   
   • 如果计算的 TDCO 大于 0，在设置了 TDC 和 TDCO 后，功能即被启用。硬件在发送高速数据段时，会将发送时间提前 TDCO 个 TQ。
   
   
   
   

使用示例概要（简化）：

假设：

• 标称波特率： 1 Mbps


• Nominal Bit Time = 16 TQ (NSJW=1, NBRP=1, NTSEG1=10, NTSEG2=3 -> Phase_Seg1 ≈ 7? 需根据实际配置精确计算)


• 物理环路延迟：估算为 300 ns


• Data 段波特率： 5 Mbps

计算：

1. TDC = (16 TQ - Phase_Seg1) - 1 -> 假设计算结果是 8。


2. 标称段 t_q_nom = 1 / (1e6 * 16) = 62.5ns/TQ。


3. TDCO = ceil(300ns / 62.5ns/TQ) = ceil(4.8) = 5 TQ。


4. 检查 TDCO (5) < TDC (8) -> 条件满足。


5. 配置 CANx_TDCR_b.TDC = 8, CANx_TDCR_b.TDCO = 5。


6. 配置 DBTP:
   
   
   
   • 确保数据段位时间足够长（例如，数据段设置为 10 Mbps 的位时间太短就不行了，需要降低实际波特率或增加位时间 TQ）。
   
   
   • 计算 SSP。例如，数据段位时间为 10 TQ (DSJW=1, DBRP=0, DTSEG1=7, DTSEG2=2 -> Phase_Seg2 = ? 可能是 2)。SSP = Phase_Seg2 - TDCO - 1 = 2 - 5 - 1 = -4 -> 无效！说明在当前数据段位时间配置下补偿 5 TQ 是不可能的。
   
   
   • 解决： 为了补偿足够的时间，需要增加数据段的位时间：
     
     
     
     • 增加 DBRP -> 降低实际波特率（不太理想）。
     
     
     • 增加 DTSEG1 和/或 DTSEG2 -> 增加位时间。
     
     
     • 例如，将数据段位时间增大到 15 TQ (DTSEG1=10, DTSEG2=4, Phase_Seg2=4?)。
     
     
     • 重新计算 SSP = 4 - 5 - 1 = -2 -> 仍然无效！需要更大的位时间！
     
     
     • 继续尝试，直到 SSP >= 0。比如位时间 20 TQ (Phase_Seg2=9), SSP=9-5-1=3。
     
     
   
   


7. 将调整后的 SSP=3 写入 CANx_DBTP_b.SSP[3:0]。

重要注意事项：

1. TDC 和 TDCO 的限制： TDCO 必须严格小于 TDC (TDCO < TDC)，并且 TDC 必须小于 (Nominal Bit Time - 2)。否则补偿会被禁用。


2. SSP 依赖： 延迟补偿功能强制依赖 SSP 模式。当 TDCO > 0 时，SSP 模式会自动激活。你必须正确配置 DBTP.SSP 值（确保 SSP <= Phase_Seg2 - 1 且 SSP > 0）以确保新的补偿后采样点有效。


3. 物理延迟测量/估算： 精确测量或估算网络中的最大环路传播延迟 (t_prop_max) 是获得最佳补偿效果的关键。这需要通过测试、示波器测量或经验公式估算。


4. 数据段位时间： 如上例所示，为了容纳大的补偿值 (TDCO)，你可能需要牺牲一点数据段波特率的最大值（增加位时间的总 TQ 数）。


5. 复杂性： 精确配置延迟补偿需要对 CAN 位时序和物理层有较深的理解。Nuvoton 的技术参考手册是最终权威指南。


6. 验证： 在实际硬件上使用示波器分析 CAN 总线信号是验证延迟补偿是否按预期工作（发送点是否提前，接收点是否对齐）的最佳方法。同时测试通信的稳定性和正确性。

总结步骤：

1. 确定必要性： 评估总线长度、波特率、是否遇到高速数据段问题。


2. 计算物理延迟 (t_prop_max): 测量或估算信号到最远节点并返回的时间。


3. 配置标称段位时序 (NBTP): 根据应用需求设置好仲裁段波特率。


4. 计算 TDC:
   TDC = (Nominal_Bit_Time_TQ - Nominal_Phase_Seg1_TQ) - 1。确保 TDC < (Nominal_Bit_Time_TQ - 2)。


5. 计算 TDCO 初值：
   TDCO_calc = ceil(t_prop_max / t_q_nom), 其中 t_q_nom = 1 / (Nominal_Baud_Rate * Nominal_Bit_Time_TQ)


6. 检查和调整 TDCO:
   设置 TDCO = min(TDCO_calc, TDC - 1) (确保 TDCO < TDC)。


7. 配置数据段位时序 (DBTP):
   
   
   
   • 设置满足数据波特率需求的预分频和段长度。
   
   
   • 关键： 计算 SSP = Data_Phase_Seg2_TQ - TDCO - 1。
   
   
   • 验证： 必须 SSP >= 0！
   
   
   • 如果 SSP < 0, 需要增加数据段位时间的总 TQ 数（可能需降低实际波特率或增加 DTSEG1、DTSEG2)，然后重新计算 SSP 直到 SSP >= 0。
   
   
   • 将计算得到的 SSP 写入 DBTP.SSP[3:0]。
   
   


8. 写入寄存器：
   
   
   
   • 将 TDC 和 TDCO 写入 CANx_TDCR (TDCR.EDTSP=1 通常也需要设置)。
   
   
   • 将包含 SSP 的完整 DBTP 配置写入 CANx_DBTP。
   
   


9. 测试和验证： 在实际总线条件下，使用示波器和工具（如收发器错误计数器、成功报文计数）验证通信的稳定性和补偿效果。

请务必参考 Nuvoton M460 系列的技术参考手册 (Technical Reference Manual - TRM) 中关于 CAN (MCAN) 模块的详细章节，特别是描述 TDCR 寄存器、DBTP 寄存器和 SSP/Limitation/TDC/TDCO 功能的部分。手册中可能有具体的公式、限制条件、寄存器布局和推荐值的示例。

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