基于CAN網(wǎng)絡(luò)的整車授時系統(tǒng)設(shè)計

  對于裝備有多種控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的車輛，整車必須有統(tǒng)一的時間系統(tǒng)才能保證各個子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)的工作。本文闡述了一種基于CAN總線的整車授時方法，基于該方法設(shè)計了一個整車授時系統(tǒng)，并且通過對CAN網(wǎng)絡(luò)延時的分析，做出時間補(bǔ)償。
  本授時系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方法，克服了純軟件和純硬件授時的不足。在不需要大量資金的條件下，可實現(xiàn)整車內(nèi)部多控制系統(tǒng)的時鐘同步，它的成本遠(yuǎn)比純硬件時統(tǒng)系統(tǒng)低，也比純軟件時統(tǒng)系統(tǒng)要可靠得多。

1 引 言
   特種車輛，比如消防車、救護(hù)車甚至特種作戰(zhàn)車輛，在現(xiàn)代瞬息萬變的社會中，對時間的統(tǒng)一性提出了極高的要求。比如裝有戰(zhàn)場通訊指揮系統(tǒng)，火力控制系統(tǒng)，地理信息及定位系統(tǒng)，駕駛員綜合信息系統(tǒng)的特種作戰(zhàn)車輛，需要眾多的車載系統(tǒng)之間統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作，必須要有嚴(yán)格統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。

  GPS/Glonass/北斗衛(wèi)星授時功能正被越來越廣泛地應(yīng)用于各種系統(tǒng)，比如指揮系統(tǒng)[1-2]、地震觀察系統(tǒng)中[3]。純硬件授時機(jī)，精度高，但是成本也高，小型化程度不夠，無法滿足車載多個控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)時間同步的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計
   基于CAN網(wǎng)絡(luò)的整車授時系統(tǒng)能將主時鐘源事件信息，通過車載網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送給其他的系統(tǒng)，以達(dá)到整車時間的同步性，如圖2-1所示。

圖2-1 整車多微機(jī)控制系統(tǒng)授時方式

2.1主時鐘源
  主時鐘源采用硬件時鐘源，接受來自上一級的時鐘源信號。上級的時鐘信號包括衛(wèi)星授時，長波電臺授時等，本系統(tǒng)采用GPS衛(wèi)星授時。

圖2-2 主時鐘源硬件設(shè)計及原理圖

  Garmin25LVS是Garmin公司的一款廉價且性能較好的導(dǎo)航型接收機(jī)。該接收機(jī)帶有標(biāo)準(zhǔn)格式的NMEA導(dǎo)航電文輸出（含有當(dāng)前時間信號）和載波相位輸出。同時還輸出一個與GPS秒時間同步的高電平脈沖。微處理器采用飛思卡爾的8位單片機(jī)，該單片機(jī)帶有1個串行通訊口，1個CAN總線通訊口，2個通道16位輸入捕捉器，16K閃存。主時鐘源基本框圖如圖2-1所示。Garmin25LVS的串口信號經(jīng)過Max232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)，解析導(dǎo)航電文（包括年、月、日、時、分、秒信息）。脈沖信號經(jīng)過調(diào)理變成5V的脈沖信號，經(jīng)過輸入捕捉，在該時刻將時間信息發(fā)送到總線上，達(dá)到授時的目的。

  Garmin25LVS支持3.6V-6V的寬電壓輸入，其TXD1/RXD1引腳是標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口通信接口，因此必須轉(zhuǎn)成TTL或CMOS兼容的電平，見圖。

圖2-3 串口電平轉(zhuǎn)換電路原理

  Garmin25LVS的PPS（Pulse Per Second）引腳為700mV的秒脈沖輸出，脈沖上升沿時間300納秒，持續(xù)時間默認(rèn)為100毫秒，該脈沖的上升沿與GPS秒同步。因此GPS接收機(jī)時間精度為。由于Garmin25LVS的秒脈沖信號幅值只有0.7V，其上升沿?zé)o法被單片機(jī)捕捉到，因此必須將其調(diào)理成TTL/CMOS兼容的上升沿信號。采用LM224運(yùn)算放大器，對PPS進(jìn)行跟隨，提高驅(qū)動能力，然后設(shè)電壓滯回比較器，選取合適的電阻將正向和反向的域值電壓都設(shè)在0.35V附近，電路原理見圖2-4。

圖2-4 脈沖信號處理原理

  高速CAN總線的驅(qū)動芯片采用飛利浦的82C250，采用光柵隔離器件，抵抗CAN總線對數(shù)字信號的電磁干擾，總線通訊原理如圖。

圖2-5 CAN通訊接口原理

2.2時間信息的分發(fā)
  時間信息通過控制器局域網(wǎng)總線（Local Area Network,CAN）采用廣播式方式以1Hz的頻率定期發(fā)送到總線。

  整車授時的傳輸網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。CAN總線物理硬件為帶屏蔽的雙絞銅線。時間消息以廣播形式發(fā)送到總線上，各控制系統(tǒng)都帶有相應(yīng)的CAN接收控制器，獲取時間消息。

圖2-6 時間信息通過總線廣播分發(fā)

  CAN總線的信號以幀為單位進(jìn)行發(fā)送[8]。時間信息是打包在數(shù)據(jù)幀里傳送的。數(shù)據(jù)幀包括幀頭，幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、校驗域、應(yīng)答域和幀尾，如圖2-7。

圖2-7 CAN總線的數(shù)據(jù)幀

  為減少時間延時，縮短數(shù)據(jù)幀的長度，包含時間消息的CAN數(shù)據(jù)幀格式采用的摩托羅拉前向編碼格式，共占用4字節(jié)，如表2-1。

 
表 2-1 時間信息編碼

  微控制器控制的整車主時鐘源程序控制流程如圖2-8。先初始化串口和CAN通訊口和微機(jī)的輸入捕捉模塊，然后循環(huán)等待接收GPS電文并解析出時間信息。秒脈沖的上升沿由輸入比較器捕獲，產(chǎn)生中斷，中斷程序把時間發(fā)送到總線上。

圖2-8 主時鐘源軟件設(shè)計

3延時補(bǔ)償以及授時誤差分析
  授時延時定義為主時鐘源開始把當(dāng)前時間消息發(fā)出到目標(biāo)節(jié)點（各控制/信息系統(tǒng)）接收該消息并產(chǎn)生中斷之間的時間差。

3.1時間延遲模型
  主時鐘源微控制器捕捉到秒脈沖產(chǎn)生中斷，CPU首先把時間消息放入CAN控制器緩存，緩存取得發(fā)送權(quán)力把消息通過驅(qū)動電路發(fā)送到總線，各車載的控制系統(tǒng)的CAN控制器接收完畢。在這個過程中，時間消息的接收發(fā)生延遲，延遲包括3個部份,如圖3-1所示。

圖3-1網(wǎng)絡(luò)授時延時模型

  Jm是消息m排隊的時間，即消息開始放入發(fā)送隊列到可以發(fā)送的時間差；Im是指由于仲裁和消息堵塞導(dǎo)致的時間延遲；Cm是數(shù)據(jù)在總線上的傳送時間。因此總的時間延遲Cm為：

(3.1)

  本系統(tǒng)采用的CAN收發(fā)控制器具有多緩存結(jié)構(gòu)；并且主時鐘源只發(fā)送一種幀信息——時間幀信息，因此消息排隊時間Jm 可以認(rèn)為是一個由于指令操作產(chǎn)生的延時常數(shù)。

  CAN是串行通訊的總線協(xié)議，即消息是按位逐位發(fā)送的，直到最后一位傳送完畢，該消息才完全傳送，產(chǎn)生中斷引起CPU響應(yīng)。根據(jù)CAN總線的數(shù)據(jù)幀長度，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時可由下式來計算：

(3.2)

  仲裁和消息堵塞延時Im，包括兩個部分：上一個正在發(fā)送的消息占用的時間和優(yōu)先級比他高的消息的發(fā)送時間?？捎肨indell,Audsley等人總結(jié)的模型迭代公式來求解[5-7]。如式（3.3）。

 (3.3)

  其中 是上個消息的發(fā)送時間，即堵塞的消息， 指優(yōu)先權(quán)比該消息高的信息集合，Tj是消息j的發(fā)送周期。

3.2授時延時估算
  微控制器采用16MHz頻率的晶振,那么1個時鐘周期為1/8微秒，Jm延時包括2字節(jié)消息標(biāo)識設(shè)置，若干數(shù)據(jù)緩存設(shè)置的操作。設(shè)時間消息數(shù)據(jù)長 字節(jié)，那么共執(zhí)行 次數(shù)據(jù)傳送操作，每次數(shù)據(jù)傳送操作花費1個時鐘周期[4]，那么：
(3.4)

  本系統(tǒng)充分考慮傳輸?shù)臅r效性，時間消息幀在總線網(wǎng)絡(luò)中擁有最高權(quán)限，那么根據(jù)第2.2和3.1小節(jié)所述，式（3.3）中 是空集，時間消息的仲裁時間延時為零（即總能得馬上到發(fā)送權(quán)限），因此Im=Bm。在最壞情況下該值為網(wǎng)絡(luò)上具有最長數(shù)據(jù)域的消息的發(fā)送時間：

 (3.5)

  位傳輸時間 取決于波特率，本系統(tǒng)總線波特率500K那么位傳輸時間2×10-6秒。根據(jù)式（3.2），傳送延遲時間Cm取決于時間消息幀自身的長度。由（3.2）（3.4）（3.5）代入(3.1)式，可得系統(tǒng)最大傳輸延時為

 (3.6)

 是時間消息幀的長度。

3.3延時補(bǔ)償
  （3.1）式中排隊延時Jm是確定的，傳輸延時Cm當(dāng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)定后也是確定的，通過精確計算來補(bǔ)償這兩個確定的延時來改進(jìn)精度。但是消息堵塞的延時仍然未知，它的最壞值見式（3.6），約為3×10-4秒。

  如果該總線為授時系統(tǒng)單獨使用，那么根據(jù)（3.5）式，消息堵塞延時為0。因此經(jīng)過補(bǔ)償后，未知的因素中只包括單片機(jī)捕獲脈沖設(shè)置中斷到中斷程序執(zhí)行的延時，可以精確到為控制器的指令操作時間級，即可以10-6秒級，精度大大提高。因此是否與其它控制系統(tǒng)共用總線，視整車的時間同步性要求。

4 結(jié)語
   該系統(tǒng)采用微機(jī)控制和車載總線技術(shù)，整車主時鐘源能自動跟蹤GPS時間信號，并能給出校時信號，使得車輛內(nèi)部各控制系統(tǒng)模塊之間與主時鐘源同步，實現(xiàn)了整車各控制系統(tǒng)時間的高度統(tǒng)一。
該系統(tǒng)結(jié)合了純軟件方法時統(tǒng)系統(tǒng)和純硬件時統(tǒng)系統(tǒng)的特點，價格低廉，性能可靠。移在某特種作戰(zhàn)車輛上得到了運(yùn)用。

參  考  文  獻(xiàn)
[1]王亭，趙軼群：GPS及其在移動指揮控制系統(tǒng)的開發(fā),《計算機(jī)工程與應(yīng)用》2000.8，147-150
[2]許文輝，王大維等：實時在線式GPS 授時系統(tǒng)原理與設(shè)計,《哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報》1998.5，31-35
[3]王家行,王大為,胡振榮,GPS 授時技術(shù)在地震觀測中的應(yīng)用, 《地震工程與工程振動》1997.9, Vo l7No. 3. 124-130 
[4]楊國田，白焰：《摩托羅拉68HC12系列微控制器原理、應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)》，中國電力出版社，2003年7月
[5]Tindell, K., Burns, A. and Wellings, A.J. Calculating Controller Area Network (CAN) message response times. Control Engineering Practice, Volume 3, Issue 8, August, 1995, Pages 1163-1169
[6] K. W. Tindell, H. Hansson, A. J. Wellings. Analysing Real-Time Communications : Controller Area Network(CAN). Real-Time Systems Symposium,1994
[7] N. Audsley, A. Burns, M. Richardson, et al. Applying new scheduling theory to static priority pre-emptive scheduling. Software Engineering Journal, Sep. 1993.
[8] Robert Bosch GmbH,CAN Specification V2.0, Postfach 30 02 40, D-70442 Stuttgart,1991