基于CAN網(wǎng)絡(luò )的整車(chē)授時(shí)系統設計

　　引言

　　特種車(chē)輛，比如消防車(chē)、救護車(chē)甚至特種作戰車(chē)輛，在現代瞬息萬(wàn)變的社會(huì )中，對時(shí)間的統一性提出了極高的要求。比如裝有戰場(chǎng)通訊指揮系統、火力控制系統、地理信息及定位系統、駕駛員綜合信息系統的特種作戰車(chē)輛，需要眾多的車(chē)載系統之間統一協(xié)調地工作，必須要有嚴格統一的時(shí)間系統。

　　GPS/Glonass/北斗衛星授時(shí)功能正被越來(lái)越廣泛地應用于各種系統，如指揮系統、地震觀(guān)察系統中。純硬件授時(shí)機精度高，但是成本也高，小型化程度不夠，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)載多個(gè)控制系統和信息系統時(shí)間同步的要求。

　　系統設計

　　基于CAN網(wǎng)絡(luò )的整車(chē)授時(shí)系統能將主時(shí)鐘源事件信息，通過(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )，發(fā)送給其他的系統，以達到整車(chē)時(shí)間的同步性，如圖1所示。

　　主時(shí)鐘源

　　主時(shí)鐘源采用硬件時(shí)鐘源，接受來(lái)自上一級的時(shí)鐘源信號。上級的時(shí)鐘信號包括衛星授時(shí)、長(cháng)波電臺授時(shí)等，本系統采用GPS衛星授時(shí)。

　　Garmin25LVS是Garmin公司的一款廉價(jià)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(shí)間信號)和載波相位輸出。同時(shí)還輸出一個(gè)與GPS秒時(shí)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(gè)串行通訊口，1個(gè)CAN總線(xiàn)通訊口，2個(gè)通道16位輸入捕捉器，16K閃存。主時(shí)鐘源基本框圖如圖2所示。Garmin25LVS的串口信號經(jīng)過(guò)MAX232芯片進(jìn)行電平轉換，輸入單片機，解析導航電文(包括年、月、日、時(shí)、分、秒信息)。脈沖信號經(jīng)過(guò)調理變成5V的脈沖信號，經(jīng)過(guò)輸入捕捉，在該時(shí)刻將時(shí)間信息發(fā)送到總線(xiàn)上，達到授時(shí)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(jiàn)圖3。

　　Garmin25LVS的PPS(Pulse Per Second)引腳為700mV的秒脈沖輸出，脈沖上升沿時(shí)間300納秒，持續時(shí)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(shí)間精度為10-6秒。由于Garmin25LVS的秒脈沖信號幅值只有0.7V，其上升沿無(wú)法被單片機捕捉到，因此必須將其調理成TTL/CMOS兼容的上升沿信號。采用LM224運算放大器，對PPS進(jìn)行跟隨，提高驅動(dòng)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，電路示于圖4。

　　高速CAN總線(xiàn)的驅動(dòng)芯片采用飛利浦的82C250，采用光隔離器件，抵抗CAN總線(xiàn)對數字信號的電磁干擾，總線(xiàn)通訊電路如圖5。

　　時(shí)間信息的分發(fā)
　　
　　時(shí)間信息通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)(CAN)采用廣播式方式以1Hz的頻率定期發(fā)送到總線(xiàn)。

　　整車(chē)授時(shí)的傳輸網(wǎng)絡(luò )基本結構如圖6所示。CAN總線(xiàn)物理硬件為帶屏蔽的雙絞銅線(xiàn)。時(shí)間消息以廣播形式發(fā)送到總線(xiàn)上，各控制系統都帶有相應的CAN接收控制器，獲取時(shí)間消息。

　　CAN總線(xiàn)的信號以幀為單位進(jìn)行發(fā)送。時(shí)間信息是打包在數據幀里傳送的。數據幀包括幀頭，幀起始、仲裁域、控制域、數據域、校驗域、應答域和幀尾，如圖7。

　　為減少時(shí)間延時(shí)，縮短數據幀的長(cháng)度，包含時(shí)間消息的CAN數據幀格式采用摩托羅拉前向編碼格式，共占用4字節，如表1。

　　微控制器控制的整車(chē)主時(shí)鐘源程序控制流程是：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(shí)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(shí)間發(fā)送到總線(xiàn)上。

　　延時(shí)補償以及授時(shí)誤差分析

　　授時(shí)延時(shí)定義為主時(shí)鐘源開(kāi)始把當前時(shí)間消息發(fā)出到目標節點(diǎn)(各控制/信息系統)接收該消息并產(chǎn)生中斷之間的時(shí)間差。

　　時(shí)間延遲模型

　　主時(shí)鐘源微控制器捕捉到秒脈沖產(chǎn)生中斷，CPU首先把時(shí)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(guò)驅動(dòng)電路發(fā)送到總線(xiàn)，各車(chē)載的控制系統的CAN控制器接收完畢。在這個(gè)過(guò)程中，時(shí)間消息的接收發(fā)生延遲，延遲包括3個(gè)部份,如圖8所示。Jm是消息m排隊的時(shí)間，即消息開(kāi)始放入發(fā)送隊列到可以發(fā)送的時(shí)間差；Im是指由于仲裁和消息堵塞導致的時(shí)間延遲；Cm是數據在總線(xiàn)上的傳送時(shí)間。因此總的時(shí)間延遲Rm為：

　　本系統采用的CAN收發(fā)控制器具有多緩存結構；并且主時(shí)鐘源只發(fā)送一種幀信息——時(shí)間幀信息，因此消息排隊時(shí)間Jm可以認為是一個(gè)由于指令操作產(chǎn)生的延時(shí)常數。

　　CAN是串行通訊的總線(xiàn)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CAN總線(xiàn)的數據幀長(cháng)度，網(wǎng)絡(luò )傳輸延時(shí)可由下式計算：

　　仲裁和消息堵塞延時(shí)Im包括兩個(gè)部分：上一個(gè)正在發(fā)送的消息占用的時(shí)間和優(yōu)先級比他高的消息的發(fā)送時(shí)間?？捎肨indell,Audsley等人總結的模型迭代公式來(lái)求解。

　　其中Bm是上個(gè)消息的發(fā)送時(shí)間，hp(m)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。

　　授時(shí)延時(shí)估算

　　微控制器采用16MHz頻率的晶振,那么1個(gè)時(shí)鐘周期為1/8微秒，Jm延時(shí)包括2字節消息標識設置，若干數據緩存設置的操作。設時(shí)間消息數據長(cháng)dt字節，那么共執行2dt+4次數據傳送操作，每次數據傳送操作花費1個(gè)時(shí)鐘周期，那么：

　　本系統充分考慮傳輸的時(shí)效性，時(shí)間消息幀在總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中擁有最高權限，那么根據前面所述，式(3)中hp(m)是空集，時(shí)間消息的仲裁時(shí)間延時(shí)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(luò )上具有最長(cháng)數據域的消息的發(fā)送時(shí)間：

　　位傳輸時(shí)間tbit取決于波特率，本系統總線(xiàn)波特率500K，那么位傳輸時(shí)間2×10-6秒。根據式(2)，傳送延遲時(shí)間Cm取決于時(shí)間消息幀自身的長(cháng)度。由(2)(4)(5)代入(1)式，可得系統最大傳輸延時(shí)為：

　　其中dt是時(shí)間消息幀的長(cháng)度。

　　延時(shí)補償

　　(1)式中排隊延時(shí)Jm是確定的，傳輸延時(shí)Cm當網(wǎng)絡(luò )應用層協(xié)議設定后也是確定的，通過(guò)精確計算來(lái)補償這兩個(gè)確定的延時(shí)來(lái)改進(jìn)精度。但是消息堵塞的延時(shí)仍然未知，它的最壞值見(jiàn)式(6)，約為3×10-4秒。

　　如果該總線(xiàn)為授時(shí)系統單獨使用，那么根據(5)式，消息堵塞延時(shí)為0。因此經(jīng)過(guò)補償后，未知的因素中只包括單片機捕獲脈沖設置中斷到中斷程序執行的延時(shí)，可以精確到為控制器的指令操作時(shí)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共用總線(xiàn)，視整車(chē)的時(shí)間同步性要求。

　　結語(yǔ)

　　該系統采用微機控制和車(chē)載總線(xiàn)技術(shù)，整車(chē)主時(shí)鐘源能自動(dòng)跟蹤GPS時(shí)間信號，并能給出校時(shí)信號，使得車(chē)輛內部各控制系統模塊之間與主時(shí)鐘源同步，實(shí)現了整車(chē)各控制系統時(shí)間的高度統一。

　　該系統結合了純軟件方法時(shí)統系統和純硬件時(shí)統系統的特點(diǎn)，價(jià)格低廉，性能可靠。該系統已在某特種作戰車(chē)輛上得到了運用?！?/p>