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，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。


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2-7。

圖2-7 CAN總線的數(shù)據幀
  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。可用Tindell,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)據緩存設置的操作。設時間消息數(shù)據長 字節(jié)，那么共執(zhí)行 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[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絡中擁有權限，那么根據第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。在壞情況下該值為網絡上具有長數(shù)據域的消息的發(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)傳輸延時為
 (3.6)
 是時間消息幀的長度。

3.3延時補償
  （3.1）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，通過計算來補償這兩個確定的延時來改進。但是消息堵塞的延時仍然未知，它的壞值見式（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（3.5）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，可以到為控制器的指令操作時間級，即可以10-6秒級，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。移在某特種作戰(zhàn)車輛上得到了運用。

參  考  文  獻
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[4]楊國田，白焰：《摩托羅拉68HC12系列微控制器原理、應用與開發(fā)技術》，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
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參考文獻:

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