基于CAN網絡的整車授時系統(tǒng)設計

　　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)，如指揮系統(tǒng)、地震觀察系統(tǒng)中。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。

　　系統(tǒng)設計

　　基于CAN網絡的整車授時系統(tǒng)能將主時鐘源事件信息，通過車載網絡，發(fā)送給其他的系統(tǒng)，以達到整車時間的同步性，如圖1所示。

　　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。

　　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所示。Garmin25LVS的串口信號經過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)。脈沖信號經過調理變成5V的脈沖信號，經過輸入捕捉，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3。

　　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10-6秒。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，電路示于圖4。

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

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

　　整車授時的傳輸網絡基本結構如圖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。

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

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

　　微控制器控制的整車主時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電文并解析出時間信息。秒脈沖的上升沿由輸入比較器捕獲，產生中斷，中斷程序把時間發(fā)送到總線上。

　　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))接收該消息并產生中斷之間的時間差。

　　時間延遲模型

　　主時鐘源微控制器捕捉到秒脈沖產生中斷，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8所示。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)據在總線上的傳送時間。因此總的時間延遲Rm為：

　　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，產生中斷引起CPU響應。根據CAN總線的數(shù)據幀長度，網絡傳輸延時可由下式計算：

　　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。

　　其中Bm是上個消息的發(fā)送時間，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)據緩存設置的操作。設時間消息數(shù)據長dt字節(jié)，那么共執(zhí)行2dt+4次數(shù)據傳送操作，每次數(shù)據傳送操作花費1個時鐘周期，那么：

　　本系統(tǒng)充分考慮傳輸?shù)臅r效性，時間消息幀在總線網絡中擁有最高權限，那么根據前面所述，式(3)中hp(m)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絡上具有最長數(shù)據域的消息的發(fā)送時間：

　　位傳輸時間tbit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。根據式(2)，傳送延遲時間Cm取決于時間消息幀自身的長度。由(2)(4)(5)代入(1)式，可得系統(tǒng)最大傳輸延時為：

　　其中dt是時間消息幀的長度。

　　延時補償

　　(1)式中排隊延時Jm是確定的，傳輸延時Cm當網絡應用層協(xié)議設定后也是確定的，通過精確計算來補償這兩個確定的延時來改進精度。但是消息堵塞的延時仍然未知，它的最壞值見式(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(5)式，消息堵塞延時為0。因此經過補償后，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(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。

　　結語

　　該系統(tǒng)采用微機控制和車載總線技術，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。該系統(tǒng)已在某特種作戰(zhàn)車輛上得到了運用?！?/p>