基于CAN網(wǎng)絡的整車授時系統(tǒng)設計

[摘  要]

   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，基于該方法設計了一個整車授時系統(tǒng)，并且通過對CAN網(wǎng)絡延時的分析，做出時間補償。
本授時系統(tǒng)采用軟硬件結合的方法，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，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)設計
基于CAN網(wǎng)絡的整車授時系統(tǒng)能將主時鐘源事件信息，通過車載網(wǎng)絡，發(fā)送給其他的系統(tǒng)，以達到整車時間的同步性，如圖2-1所示。

圖2-1 整車多微機控制系統(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 主時鐘源硬件設計及原理圖

Garmin25LVS是Garmin公司的一款廉價且性能較好的導航型接收機。該接收機帶有標準格式的NMEA導航電文輸出（含有當前時間信號）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，該單片機帶有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芯片進行電平轉換，輸入單片機，解析導航電文（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引腳是標準RS-232串口通信接口，因此必須轉成TTL或CMOS兼容的電平，見圖。

圖2-3 串口電平轉換電路原理

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)時間默認為100毫秒，該脈沖的上升沿與GPS秒同步。因此GPS接收機時間精度為。由于Garmin25LVS的秒脈沖信號幅值只有0.7V，其上升沿無法被單片機捕捉到，因此必須將其調(diào)理成TTL/CMOS兼容的上升沿信號。采用LM224運算放大器，對PPS進行跟隨，提高驅動能力，然后設電壓滯回比較器，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)絡基本結構如圖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 主時鐘源軟件設計

3延時補償以及授時誤差分析
授時延時定義為主時鐘源開始把當前時間消息發(fā)出到目標節(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)送權力把消息通過驅動電路發(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構；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。根據(jù)CAN總線的數(shù)據(jù)幀長度，網(wǎng)絡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)消息標識設置，若干數(shù)據(jù)緩存設置的操作。設時間消息數(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)絡中擁有最高權限，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)送權限），因此Im=Bm。在最壞情況下該值為網(wǎng)絡上具有最長數(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