1、基于 CAN 总线时钟同步机制的研究基于 CAN 总线时钟同步机制的研究谢经明周砚陈幼平陈冰孔繁天(华中科技大学机械科学与工程学院,武汉 430074)Email:X摘要随着分布式控制网络的发展,对控制的精度和准确度的要求越来越高.分布式控制网络系统中的核心问题之一就是时钟同步问题.近年来,CAN 总线作为控制系统的一种通讯网络在分布式网络控制系统中发展较快.因此文章主要研究 CAN 网络中的时钟同步问题的解决方法.关键词现场总线 CAN 时钟同步文章编号 10028331 一(2005)32005003 文献标识码 A 中图分类号 TP391Research0fClockSvnchr0niz
2、ati0nBased0nCANbusXieJingmingZhouYanChenYoupinChenBingKongFantian(SchoolofMechanicalScienceandEngineering,HUST,Wuhan430074)Abstract:Withthedevelopmentofdistributedcontrolnetwork,weneedittobemoreandmoreaccurateandprecise.ClockSynchronizationisoneofthekeyquestionsinthedistributedcontrolnetworksystem.R
3、ecently,CANbusiswelldevelopedinthedistributedcontrolsystemasacommunicationnetwork.Therefore,thisarticleismainlyabouttheresolventofclocksynchronizationintheCANbus.Keywords:fieldbus,CAN,clock,synchronizationl 引言随着网络应用的不断深入,很多领域根据需要开发了完成特定功能的分布式网络系统.如何构造时钟系统来为不同的分布式网络系统提供有效的时间服务,成为一项重要课题.而保证信息系统时间的正确性和
4、一致性是我们构造时钟系统的基础.其中时间同步主要解决以下两个方面的问题:(1)系统所有机器具有相同时间,即系统中的机器以某种策略相互交流,最后达成整个系统在时间上的一致,本质上为系统通讯模型问题.(2)系统的时间要准确.这里所强调的准确是相对应用领域所允许的时间偏差而言,根据应用领域及成本上的考虑,可以选用不同的设备作为时间源,从而达到时间精度的要求11.CAN(ControllerAreaNetwork)称为控制器局域网.属于总线式通讯网络.它是 20 世纪 80 年代初德国 BOSCH 公司提出为解决汽车内部众多控制器与测量设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线.是一种有效支持分布
5、式控制系统或实时控制的串行通信网络.CAN 总线近年来广泛应用于汽车领域和其它现场工业控制领域.它本身的特点使其在分布式控制系统中作为通讯网络得到了很大的发展.现代工业的发展对精确度和准确度的要求越来越高,这也对 CAN 总线的同步机制提出了更高的要求.本文主要对应用于分布式系统中的通讯 CAN 网络的时钟同步方法进行研究和设计.2 时钟同步方法根据时钟同步的实现机制来看.具体的时钟同步实现方法分为硬件时钟同步,软件时钟同步和混合时钟同步.(1)硬件时钟同步.硬件时钟同步是指利用一定的硬件设施,如 GPS(GlobalPositioningSystem)接收机,UTC(UniversalCoo
6、rdinatedTime)接收机,专用的时钟信号线路等进行的局部时钟之间的同步.操作对象往往是计算机的硬件时钟.硬件同步可以获得很高的同步精度(一般为 10_9s 至 10_6s),但需引入专用的硬件同步设备.这使得时钟同步的代价较高.且操作不便.硬件同步方法适合小规模网络系统,在一个大规模分布式网络中完全采用硬件同步方法是不现实的.(2)软件时钟同步.软件时钟同步是利用时钟同步算法进行的节点局部时钟之间的同步.软件时钟同步工作量很大,且节点间的同步偏差容易积累.更重要得是,同步信息在广域网上传输的延迟大且有很大的不确定性,这使得软件同步可以达到的精度比较低(通常为 10_6s 至 10.S)
7、.但是,由于软件同步的操作对象通常是各节点的逻辑逻辑时钟,一般并不需要对结点的硬件时钟进行操作,所以软件同步更加灵活,成本也较硬件同步低.(3)混合时钟同步.混合时钟同步是把硬件时钟同步和软件时钟同步的优点结合起来.混合时钟同步主要有两种,一种是基于软件时钟同步的.这种同步方法是在原有的软件同步方法中引入专用的硬件设施.实现原来由软件时钟同步算法完成基金项目:湖北省自然科学基金(编号:2004ABA054); 武汉市科委重点科技攻关项目(车内网络信息平台)作者简介:谢经明(1965 一),男,汉族,博士,主要研究方向:数控技术,现场总线技术,嵌入式控制系统以及智能控制.周砚,华中科技大学国家数
8、控系统工程技术研究中心硕士研究生.陈幼平,华中科技大学教授,博导.陈冰,华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心博士研究生.孔繁天,华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心博士研究生.502005.32 计算机工程与应用的功能;另外一种是分层式混合同步.该方案将大规模分布式系统的结点网络划分为多个网段.在每个网段设置一个结点为时间服务结点,在该结点上引入 GPS 和 UTC 接收机及其相应的时钟接口设备,实现不同网段的时钟同步.然后,在每个网段内部通过软件同步方法使本网段其它结点的时钟与本网段时间服务结点的时钟同步,从而实现整个分布式网络的时钟同步.混合同步方案的同步精度一般要比硬件时钟同步低
9、.但却比软件时钟同步高.且实现成本可以接受.根据上述分析,混合时钟同步具有较为优良的性能,成本也比较合理.因此本文在 CAN 网络中采用的主要是混合时钟同步的方法3CAN 总线的混合时钟同步机制CAN 总线的全局时间基础有两种方法建立,即:(1)各节点根据系统中已指定的主时钟来调整它们的本地时钟;(2)本地时钟保持不变,但各节点不断用转换方程计算各时钟之间或者与指定的参考时钟之间的时间关系51.本文采取第一种方法,各节点根据系统的主节点来调整各自的时钟已达到时钟同步的效果.为了提高同步的精度,本文的时钟同步实现采用主从方式和硬件检测相结合.其具体实现方法是:添加两条硬件同步信号线用来传输同步差
10、分信号,在主模块中设置同步信号发生器,并在各从模块内部设置同步接收单元.硬件同步信号一般采用具有一定周期的脉冲信号.例如:要求实现 4ms 的位置控制操作同步,理论上同步信号可以取频率为 250Hz 的方波信号,方波信号的上升沿或者下降沿作为同步点.从站的同步接受单元检测到主站的同步信号上升沿或者下降沿时,各从站时钟同时清零.这种从站每周期清零不仅保持了各从站时钟的一致性,同时也避免了同步误差的累积.同步信号的接收单元一般将同步信号的触发边沿引入控制芯片的外部中断引脚,或将同步信号作为内部逻辑操作的控制信号,但在恶劣的工业现场,在模块外部进行传输的同步信号线对外部干扰相当敏感,极易导致系统同步
11、的失败.为了提高模块间同步信号的抗干扰能力.采用平衡差分驱动方式传输同步信号,即在信号的发送端和接收端分别采用平衡传输的差分驱动器如 MC3487.MC3486 进行发送和接收.但是考虑到工业现场的外部干扰可能会产生同步信号毛刺,导致错误的时钟清零.l 这里,设计了两种方法,即:(1).通过缓冲器设置一个时间窗.机械加工中常以 4ms 作为一个机械周期,所以将时间窗设置为 3.98ms 至 4.02ms 之间.只有在这个时间段内,缓冲器的使能端才会使能,此时同步信号才能传输给计数器.当计数器接收到跳变沿时,计数器清零.也就是说在每个机械周期内,各从站时钟都会同时清零一次.以保证各从站时钟的一致
12、性.如图 1 所示.N缓冲器图 1 同步机制简图(2)双采样方法.用同步信号的上升沿触发清零.当各从站的触发器接受到上升沿触发信号后,并不急于使计数器清零,而是在等待 1Ixs31xs 后检测引脚的同步信号,若此时检测到的信号为高电平,则认为是清零信号,若是低电平则认为是毛刺.通过这种方式也可以消除毛刺的影响.但是会使同步清零时间滞后.但是由于每周期清零,因此滞后不会累积.而且1s 一 31xs 也被认为是在误差范围内,不会对操作产生影响.为了分析这两种方法的可行性.用 VerilogHDL 编写了相关程序,主程序如下:timesealelus/lnsmoduletop();wiresyn_c
13、lock;wiredma_in;wiredata_outl,data_out2;regdelay_clock1;regdelayclock2;initialbegindelayclock1=0;delayclock2=0;endalways 栅 delayclock1=-delay_clock1;always#10delay_eloek2=delayclock2;serve/_server(.syn_elock(synclock),.data_out(data_in);time_windowclientl(.synclock(syn_clock),.data_in(data_in),.data
14、_out(data_out1),.delay_clock(delay_clock1);double_sampleclient2(.synclock(syn_clock),.data_in(data_in),.dataout(data_out2),.delayclock(delay_clock);endmodule另外还分别有三个子程序:时间窗采样程序,双采样程序以及时间窗的程序.并用 ModelSim 进行了仿真实验.波形如图2 所示.波形图中各信号的意义如下:syn_clock:同步时钟信号 .data_enable:时间窗方式下的数据使能信号.sampleclock:双采样方式的第二次的采
15、样时钟.counter_cM:时间窗方式下的计数器清零信号.1 有效.counter_clr2:双采样方式下的计数器清零信号.1 有效.图 2(a)中所示波形为理想状态下的波形,信号传输不受外界干扰,同步信号中没有毛刺出现.是理想状态下的正常波形.图 2(b)中所示波形为当采用时间窗模式时,在时间窗内如果产生毛刺的同步波形.该波形说明在这种情况下,时间窗模式的同步会因为毛刺的影响产生错误的计数器清零信号.我们可以通过减小时间窗的宽度来减少产生错误计数器清零的可能性.但同时增加了丢失数据的可能性.图 2(C)中所示波形为在双采样方式下,如果毛刺的宽度大于双采样的时间间隔时的同步波形.该波形说明在
16、这种情况计算机工程与应用 2005.3251一(a)理想状态下的波形由 1in拙 J0J枷 d-_d1inr1抽 I-.1fI(b)采用时间窗模式时,在时间窗内如果产生毛刺的同步波形_庠蕈手弄(c)在双采样方式下,如果毛刺的宽度大于双采样的时间间隔时的同步波形(d)在双采样方式下,如果正好在两给采样点采样的时间上出现两个毛刺时的同步波形图 2 两种同步方案的仿真波形下,双采样方式同步会受到毛刺的影响,产生错误的计数器清零信号.图 2(d)中所示波形为在双采样方式下,如果正好在两给采样点采样的时间上出现两个毛刺时的同步波形.该波形说明在这种情况下,双采样方式同步会受到毛刺的影响,产生错误的计数器
17、清零信号.分析可知.虽然双采样方式的数据会产生滞后,但是比较而言,图 2(c)和图(d)比图(b)出现的概率要小很多,所以双采样的效果会比时间窗的效果好.因此,我们最后决定采用双采样的同步方法.4 结束语分布式网络系统对时钟同步的需求日益迫切,要求也越来越高.该文对时钟同步进行了深入研究的基础上,结合 CAN 网络针对运动控制系统提出了将主从式和硬件同步相结合的时钟同步方案.该方案能保证较高的时间精度和可靠性.具有一定的应用价值,可以推广到其它对时间精度要求较严格的分布式网络系统中去.(收稿日期:2005 年 7 月)参考文献1.孙娜,熊伟,丁宇征.时钟同步的研究与应用【J】.计聊 L 工程与
18、应用,20o3;39(27):1771792 坞宽明.CAN 总线原理和应用系统设计 fMJ.北京:北京航空航天大学出版社.19963.史久根,张培人,陈真勇.CAN 现场总线系统设计技术【M】.北京: 国防工业出版社.20044.王桂荣,钱剑敏.CAN 总线和基于 CAN 总线的高层协议 fJ】.计算机测量与控制,2003;l1(5):3913945.MGergeleit,HStreich.ImplementingaDistributedHighresolutionRealTimeClockusingtheCAN-busC.In:Proceedingsofthe1stInternationa
19、lCANConference,Mainz,Germany,1994(上接 29 页) ,一二三一一一,_二-_一一三一一一 hill 二一一一一一一一-一一一一一一一一一_:一.一_一二_一-_ 一一一一 bridge 一,二一一 river_:一一 r 一一图 4 去掉障碍物体后的对象集步骤 3 在构造 K 一最近邻居图后,将与点集 Q,R 中点相连的边全部剪断(或设距离为,充分大).步骤 4 利用 Chameleon(变色龙)方法对经过修剪后的 K 一最近邻居图进行聚类.5 总结有关聚类的算法和研究成果已经比较多,但关于有障碍物体的聚类问题由于问题复杂.还到目前为止关于这方面的文献较少.在
20、文中,我们提出了一种可以有效解决有障碍物体聚类522005.32 计算机工程与应用的思想和方法.这是具有一定实际意义的问题的研究和探讨.以后我们还将进一步研究有障碍聚类问题.(收稿日期:2005 年 4 月)参考文献1.THCormen,CELeiserson,RLRivest.IntroductiontoAlgothmM.TheMITPress,19892.JHan,MKalnber.DataMining:ConceptsandTechniquesM.MorganKaufmann,2O0O3.RNg.JHan.Efficientandeffectiveclusteringmethodfors
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