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(shí)間系統(tǒng)才能保證各個(gè)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(shí)方法，基于該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)整車授時(shí)系統(tǒng)，并且通過對CAN網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的分析，做出時(shí)間補(bǔ)償。
本授時(shí)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(shí)的不足。在不需要大量資金的條件下，可實(shí)現(xiàn)整車內(nèi)部多控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，它的成本遠(yuǎn)比純硬件時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)低，也比純軟件時(shí)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(huì)中，對時(shí)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(shí)間系統(tǒng)。
GPS/Glonass/北斗衛(wèi)星授時(shí)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(shí)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(gè)控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)時(shí)間同步的要求。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于CAN網(wǎng)絡(luò)的整車授時(shí)系統(tǒng)能將主時(shí)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(shí)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(shí)方式
2.1主時(shí)鐘源
主時(shí)鐘源采用硬件時(shí)鐘源，接受來自上一級(jí)的時(shí)鐘源信號(hào)。上級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)包括衛(wèi)星授時(shí)，長波電臺(tái)授時(shí)等，本系統(tǒng)采用GPS衛(wèi)星授時(shí)。
圖2-2 主時(shí)鐘源硬件設(shè)計(jì)及原理圖
Garmin25LVS是Garmin公司的一款廉價(jià)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(shí)間信號(hào)）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(jī)，該單片機(jī)帶有1個(gè)串行通訊口，1個(gè)CAN總線通訊口，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2-1所示。Garmin25LVS的串口信號(hào)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(shí)、分、秒信息）。脈沖信號(hào)經(jīng)過調(diào)理變成5V的脈沖信號(hào)，經(jīng)過輸入捕捉，在該時(shí)刻將時(shí)間信息發(fā)送到總線上，達(dá)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(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(shí)間300納秒，持續(xù)時(shí)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(shí)間精度為。由于Garmin25LVS的秒脈沖信號(hào)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(hào)。采用LM224運(yùn)算放大器，對PPS進(jìn)行跟隨，提高驅(qū)動(dòng)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(hào)處理原理
高速CAN總線的驅(qū)動(dòng)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(hào)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(shí)間信息的分發(fā)
時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間消息。
圖2-6 時(shí)間信息通過總線廣播分發(fā)
CAN總線的信號(hào)以幀為單位進(jìn)行發(fā)送[8]。時(shí)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(yàn)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(shí)間延時(shí)，縮短數(shù)據(jù)幀的長度，包含時(shí)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(shí)間信息編碼
微控制器控制的整車主時(shí)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(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)送到總線上。
圖2-8 主時(shí)鐘源軟件設(shè)計(jì)
3延時(shí)補(bǔ)償以及授時(shí)誤差分析
授時(shí)延時(shí)定義為主時(shí)鐘源開始把當(dāng)前時(shí)間消息發(fā)出到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（各控制/信息系統(tǒng)）接收該消息并產(chǎn)生中斷之間的時(shí)間差。
3.1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(quán)力把消息通過驅(qū)動(dòng)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(gè)過程中，時(shí)間消息的接收發(fā)生延遲，延遲包括3個(gè)部份,如圖3-1所示。 
圖3-1網(wǎng)絡(luò)授時(shí)延時(shí)模型
Jm是消息m排隊(duì)的時(shí)間，即消息開始放入發(fā)送隊(duì)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(dǎo)致的時(shí)間延遲；Cm是數(shù)據(jù)在總線上的傳送時(shí)間。因此總的時(shí)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(shí)鐘源只發(fā)送一種幀信息——時(shí)間幀信息，因此消息排隊(duì)時(shí)間Jm 可以認(rèn)為是一個(gè)由于指令操作產(chǎn)生的延時(shí)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(shí)可由下式來計(jì)算： 
(3.2)
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(jí)比他高的消息的發(fā)送時(shí)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(gè)消息的發(fā)送時(shí)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(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(jié)消息標(biāo)識(shí)設(shè)置，若干數(shù)據(jù)緩存設(shè)置的操作。設(shè)時(shí)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(fèi)1個(gè)時(shí)鐘周期[4]，那么： 
(3.4)
本系統(tǒng)充分考慮傳輸?shù)臅r(shí)效性，時(shí)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(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(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(shí)間：
(3.5)
位傳輸時(shí)間
取決于波特率，本系統(tǒng)總線波特率500K那么位傳輸時(shí)間2×10-6秒。根據(jù)式（3.2），傳送延遲時(shí)間Cm取決于時(shí)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(shí)為
(3.6)
是時(shí)間消息幀的長度。
3.3延時(shí)補(bǔ)償
（3.1）式中排隊(duì)延時(shí)Jm是確定的，傳輸延時(shí)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(jì)算來補(bǔ)償這兩個(gè)確定的延時(shí)來改進(jìn)精度。但是消息堵塞的延時(shí)仍然未知，它的最壞值見式（3.6），約為3×10-4秒。
如果該總線為授時(shí)系統(tǒng)單獨(dú)使用，那么根據(jù)（3.5）式，消息堵塞延時(shí)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(shí)，可以精確到為控制器的指令操作時(shí)間級(jí)，即可以10-6秒級(jí)，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(shí)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(shí)鐘源能自動(dòng)跟蹤GPS時(shí)間信號(hào)，并能給出校時(shí)信號(hào)，使得車輛內(nèi)部各控制系統(tǒng)模塊之間與主時(shí)鐘源同步，實(shí)現(xiàn)了整車各控制系統(tǒng)時(shí)間的高度統(tǒng)一。
該系統(tǒng)結(jié)合了純軟件方法時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)和純硬件時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，價(jià)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)
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張新豐（1980-），清華大學(xué)汽車研究所博士研究生，2003年本科畢業(yè)于清華大學(xué)汽車工程系，研究方向是車載自主導(dǎo)航系統(tǒng)，車載微機(jī)及控制網(wǎng)絡(luò)，車載綜合信息系統(tǒng)。電話:010-62771667-84，email:zhangxinfeng99@mails.tsinghua.edu.cn，地址：北京市海淀區(qū)清華大學(xué)汽車研究所501室，郵編100084
