季霆

　　（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通226000）

       摘要：高精度和高可靠的時(shí)鐘同步方法是CAN總線能夠安全運(yùn)行的關(guān)鍵，在分析主從、協(xié)商同步特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于CAN總線的單主時(shí)鐘協(xié)商同步方法，該方法僅需要一個(gè)時(shí)鐘同步主節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)總線的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)失效時(shí)利用CAN總線的時(shí)鐘特性及時(shí)對(duì)即時(shí)偏差進(jìn)行估計(jì)，使總線各節(jié)點(diǎn)依然能夠正常工作，并引入時(shí)鐘方差的概念更新主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表選擇新的主節(jié)點(diǎn)。最后利用CANoe軟件對(duì)該方法進(jìn)行仿真，并利用51單片機(jī)、SJA1000T以及TJA1050構(gòu)建硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)果表明該時(shí)鐘同步機(jī)制能夠防止單節(jié)點(diǎn)失效，可靠性高，具有更高的同步精度。

　　關(guān)鍵詞：時(shí)鐘同步；即時(shí)偏差；主時(shí)鐘選擇；時(shí)鐘方差

　　中圖分類號(hào)：U469文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.018

　　引用格式：季霆. 基于CAN總線的單主時(shí)鐘同步方法研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（24）：61-65,69.

0引言

　　控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）是目前應(yīng)用最廣泛的總線之一，其具有實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，因此受到越來(lái)越多用戶的青睞。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)CAN總線進(jìn)行了大量的研究，希望提高總線系統(tǒng)運(yùn)行的精度和安全，本文以時(shí)鐘同步算法為研究對(duì)象，對(duì)CAN總線進(jìn)行研究。

　　國(guó)內(nèi)外諸多文獻(xiàn)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［1］提出了基于主從配置的CAN總線時(shí)鐘同步算法，只需要發(fā)送一條同步消息即可保證網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的同步，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源，但是主節(jié)點(diǎn)一旦失效就無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。文獻(xiàn)［2］在協(xié)商時(shí)鐘同步方法［34］的基礎(chǔ)上提出了一種基于軟件的“前期協(xié)商”時(shí)鐘同步方法，該算法引入了同步主節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)表的概念，在主節(jié)點(diǎn)失效時(shí)根據(jù)同步主節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)表選擇新的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)容錯(cuò)錯(cuò)，也減少了網(wǎng)絡(luò)同步開(kāi)銷，然而該方法中同步主節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)表一旦建立無(wú)法改變，降低了時(shí)鐘選擇的實(shí)時(shí)性，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)考慮較少，也降低了同步精度。文獻(xiàn)［5］在分析主從、協(xié)商等同步算法的基礎(chǔ)上，提出了基于最小“相對(duì)即時(shí)偏差”的主從協(xié)商選擇方法（以下簡(jiǎn)稱為“相對(duì)偏差選擇方法”），該方法可以在主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)失效時(shí)協(xié)商選擇出新的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，并且給出了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的測(cè)算方法，獲得了更高的時(shí)鐘精度，但是該方法并沒(méi)有考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間由于距離、溫度等原因而造成的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)誤差。

　　本文在上述時(shí)鐘同步方法的基礎(chǔ)上，對(duì)CAN總線時(shí)鐘同步過(guò)程進(jìn)行研究，提出了一種基于CAN總線的單主時(shí)鐘協(xié)商同步選擇方法，該方法對(duì)即時(shí)偏差與網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，可以提高CAN系統(tǒng)同步精度，減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。

1CAN時(shí)鐘同步基本問(wèn)題描述

　　1.1CAN時(shí)鐘同步

　　CAN總線時(shí)鐘同步可分為應(yīng)用層時(shí)鐘同步和物理層時(shí)鐘同步，其中物理層同步又分為硬同步和重同步，只有物理層同步準(zhǔn)確無(wú)誤，應(yīng)用層時(shí)鐘同步才能被正確執(zhí)行［58］。本文主要對(duì)應(yīng)用層時(shí)鐘同步進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)從節(jié)點(diǎn)相對(duì)于主節(jié)點(diǎn)的即時(shí)偏差進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，從而對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得更加精確的時(shí)間信息。

　　1.2時(shí)鐘同步基本問(wèn)題描述

　　在CAN總線上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘均由其內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器驅(qū)動(dòng)，每個(gè)振蕩器都產(chǎn)生一定頻率的脈沖，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部都包含一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若節(jié)點(diǎn)k時(shí)鐘振蕩器的頻率為fk(t)，那么該節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器的值稱為節(jié)點(diǎn)k的本地時(shí)鐘Tk(t)。本地時(shí)鐘Tk(t)可由式（1）計(jì)算［9］，其中t0為節(jié)點(diǎn)k初始時(shí)刻的實(shí)際時(shí)刻，Tk(t0)為節(jié)點(diǎn)k在初始時(shí)刻的本地時(shí)鐘。

　　Tk(t)=∫tt0fk(t)dt+Tk(t0)(1)

　　若令節(jié)點(diǎn)k在第m個(gè)時(shí)鐘同步周期的實(shí)際起始時(shí)刻為tm0，實(shí)際結(jié)束時(shí)刻為tmf，則在一個(gè)同步周期T(T=tmf-tm0)內(nèi)，由于時(shí)間較短，振蕩器保持穩(wěn)定不發(fā)生劇烈頻偏，為了方便討論，假設(shè)節(jié)點(diǎn)k在該時(shí)鐘同步周期內(nèi)的時(shí)鐘振蕩頻率為一定值fmk，那么由式（1）可得節(jié)點(diǎn)k在第m個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的本地時(shí)間為：

　　Tmk(t)=fmk［t-tm0］+Tmk(t0)

　　（tm0<t≤tmf）(2)

　　在一個(gè)CAN總線系統(tǒng)中，由于各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘振蕩器受到內(nèi)部或者外部環(huán)境的影響，產(chǎn)生的脈沖頻率并不相同，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘產(chǎn)生漂移，時(shí)鐘漂移的程度通常用漂移率ρ來(lái)描述，即1臺(tái)時(shí)鐘每1 s偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的微秒數(shù)。那么在一個(gè)時(shí)鐘同步周期T內(nèi)，由于時(shí)鐘漂移而產(chǎn)生的主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘差值稱之為時(shí)鐘偏差，記某一從節(jié)點(diǎn)k相對(duì)于主節(jié)點(diǎn)i的即時(shí)偏差［10］ Tmoffset(t)=Tmi(t)－Tmk(t)（tm0<t≤tmf），將式（2）帶入該式可得：

　　Tmoffset(t)=［fmi-fmk］［t-tm0］+Tmi(t0)-Tmk(t0)（tm0<t≤tmf）(3)

　　在時(shí)鐘同步過(guò)程中，漂移往往是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，所以從節(jié)點(diǎn)k第m次時(shí)鐘同步的時(shí)間漂移率ρmk=Tmoffset/T。

　　為了保證CAN系統(tǒng)的時(shí)鐘精度，總線上各從節(jié)點(diǎn)每隔一個(gè)時(shí)鐘同步周期需要根據(jù)本節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差對(duì)本地時(shí)鐘以及時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)整。假設(shè)節(jié)點(diǎn)k在第m-1個(gè)時(shí)鐘同步周期結(jié)束時(shí)刻tm-1f開(kāi)始測(cè)量計(jì)算該時(shí)刻的即時(shí)偏差，第m個(gè)時(shí)鐘同步周期開(kāi)始時(shí)刻tm0完成測(cè)量計(jì)算并對(duì)本地時(shí)鐘以及時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的值分別為ΔTmk=Tm-1offset(tf)=Tmi(tf)-Tmk(tf)和Δfmk=ρm-1k=Tm-1offset(tf)/T。

　　由于tm0-tm-1f的值相對(duì)于時(shí)鐘同步周期T來(lái)說(shuō)很小，可以近似看作為0，因此本地時(shí)鐘和時(shí)鐘頻率有如下關(guān)系：

　　Tmi(t0)=Tm－1i(tf)

　　Tmk(t0)=Tm-1k(tf)-ΔTmk

　　fmk=fm-1k-Δfmk+ρm-1k

　　fmi=fm-1i+ρm-1i(4)

　　其中ρm－1i和ρm-1k分別是主節(jié)點(diǎn)i和從節(jié)點(diǎn)k在第m-1個(gè)時(shí)鐘同步周期內(nèi)產(chǎn)生的漂移率。將式（4）帶入式（3）可得：

　　Tmoffset(t)=［ρm-1i-ρm-1k］［t-tm0］（tm0<t≤tmf）(5)

　　假設(shè)主節(jié)點(diǎn)i和從節(jié)點(diǎn)k處于相同環(huán)境下，那么在同一時(shí)間段內(nèi)（一個(gè)時(shí)間同步周期）ρm－1i－ρm-1k可以看作為一個(gè)定值ρm－1，那么帶入式（5）可得：

　　Tmoffset(t)=ρm-1［t-tm0］（tm0<t≤tmf）(6)

　　圖1給出主從節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘之間的關(guān)系，實(shí)線為主節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)間之間的關(guān)系，虛線為從節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)間之間的關(guān)系。

2基于CAN總線的單主節(jié)點(diǎn)協(xié)商同步算法

　　2.1即時(shí)偏差計(jì)算

　　為了測(cè)量計(jì)算第m個(gè)時(shí)鐘同步周期的即時(shí)偏差Tmoffset，引入以下兩個(gè)特殊報(bào)文：Sync報(bào)文和Resp報(bào)文，Sync報(bào)文用于同步從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送，Resp報(bào)文為Sync報(bào)文的響應(yīng)報(bào)文，Resp報(bào)文內(nèi)包含Sync報(bào)文到達(dá)從節(jié)點(diǎn)到達(dá)時(shí)間等信息［11］。

　　即時(shí)偏差Tmoffset測(cè)算過(guò)程如圖2所示。主節(jié)點(diǎn)i按照定義的時(shí)間間隔T周期性地廣播Sync報(bào)文，在第m個(gè)周期起始時(shí)刻t0（節(jié)點(diǎn)i的本地時(shí)鐘為Tmi(t0)）向總線上從節(jié)點(diǎn)發(fā)送Sync報(bào)文；t1時(shí)刻總線上從節(jié)點(diǎn)k接收到Sync報(bào)文并記下接收到Sync報(bào)文的時(shí)間（節(jié)點(diǎn)k的本地時(shí)鐘為Tmk(t1)）。因此，由式（2）可得：

　　Tmi(t0)=Tm－1i+Tm－1i(t0)=Tfm－1i+Tm－1i(t0)

　　Tmk(t0)=Tm－1k+Tm－1k(t0)=T(fm－1k+Δfm－1k+ηmk)+ΔTm－1k+Tm－1k(t0)(7)

　　其中Tm－1i和Tm－1k分別是主節(jié)點(diǎn)i和從節(jié)點(diǎn)k在第（m-1）個(gè)時(shí)鐘同步周期內(nèi)的本地時(shí)間間隔，假設(shè)總線上同一個(gè)消息的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)是相等的，可得Tm－1k(t1)=Tm－1k(t0)+Tdelay,Tmk(t1)=Tmk(t0)+Tdelay，那么帶入（7）式中可得：

　　Tmk(t1)=Tm－1k+Tm－1k(t1)(8)

　　由式（7）和（8）可得Tm－1i和Tm－1k的表示式：Tm－1i=Tmi(t0)－Tm－1i(t0)，Tm－1k=Tmk(t1)－Tm－1k(t1)。此時(shí)，從節(jié)點(diǎn)k可以計(jì)算出第m個(gè)時(shí)鐘同步周期開(kāi)始時(shí)刻即（m-1）個(gè)時(shí)鐘同步周期結(jié)束時(shí)刻的即時(shí)偏差：

　　Tmoffset(t0)=Tmi(t0)－Tmk(t0)

　　=Tm-1i(t0)－Tm-1k(t0)+(Tm－1i－Tm－1k)

　　=Tm－1offset(t0)+［Tmi(t0)－Tm－1i(t0)－Tmk(t1)+Tm－1k(t1)］(9)

　　由于在（m-1）個(gè)時(shí)鐘同步周期開(kāi)始時(shí)刻，從節(jié)點(diǎn)k已經(jīng)根據(jù)前一時(shí)鐘同步周期所測(cè)量計(jì)算的即時(shí)偏差對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，因此式（9）中的Tm－1offset(t0)≈0，即時(shí)偏差如式（10）所示：

　　Tmoffset(t0)=Tmi(t0)－Tm－1i(t0)－Tmk(t1)+Tm－1k(t1)(10)

　　其中Tm－1i(t0)，Tm－1k(t1)的值已經(jīng)在上一個(gè)時(shí)鐘同步周期保存在從節(jié)點(diǎn)k中，新值測(cè)量計(jì)算完成，自動(dòng)保存。從節(jié)點(diǎn)完成即時(shí)偏差的測(cè)量和計(jì)算后，即對(duì)本地時(shí)鐘以及時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整值分別為ΔTmk和Δfmk。

　　ΔTmk=Tmi(t0)-Tm-1i(t0)-Tmk(t1)+Tm-1k(t1)

　　Δfmk=ΔTmk/Tm-1k=Tmi(t0)-Tm-1i(t0)-Tmk(t1)+Tm-1k(t1)

　　=［Tmi(t0)－Tm－1i(t0)－Tmk(t1)+Tm－1k(t1)］/［Tmk(t1)－Tm－1k(t1)］(11)

　　當(dāng)從節(jié)點(diǎn)k完成時(shí)鐘同步，t2時(shí)刻（節(jié)點(diǎn)k的本地時(shí)鐘為Tmk(t2)），從節(jié)點(diǎn)k將向主節(jié)點(diǎn)i發(fā)送Resp報(bào)文，Resp報(bào)文中包含Tmoffset(t0)，Tmi(t0)，Tmk(t1)的值。

　　2.2主時(shí)鐘失效選擇

　　為了保證總線安全可靠地運(yùn)行，避免主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)失效而造成系統(tǒng)癱瘓，網(wǎng)絡(luò)中往往需要多個(gè)主節(jié)點(diǎn)。若總線網(wǎng)絡(luò)中僅有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，那么就需要引入一種選擇機(jī)制來(lái)確保系統(tǒng)能夠在主節(jié)點(diǎn)失效后快速確立新的主節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)［2］中通過(guò)在主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表中預(yù)先設(shè)置優(yōu)先級(jí)的方法來(lái)達(dá)到選擇新主節(jié)點(diǎn)的目的，但是該優(yōu)先級(jí)表一旦確立將無(wú)法改變，導(dǎo)致選擇新的主節(jié)點(diǎn)之后精度變低。本文在原主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表的基礎(chǔ)上提出一種基于實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表。

　　為了能夠?qū)崟r(shí)評(píng)價(jià)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，引入時(shí)鐘方差的概念［1213］：

　　每個(gè)時(shí)鐘同步周期從節(jié)點(diǎn)都能通過(guò)式（12）計(jì)算出時(shí)鐘方差σ2，并在網(wǎng)絡(luò)中廣播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)σ2值進(jìn)行排序，更新主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表。σ2值越小說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)越穩(wěn)定，則在主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表中的優(yōu)先級(jí)越高。

　　在通信過(guò)程中，若總線發(fā)生如下情況之一則認(rèn)為主節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障：(1）兩節(jié)點(diǎn)成功接收消息的時(shí)刻差值Δ>ΔΓtight（ΔΓtight是CAN總線緊密性極限）；(2）同步周期內(nèi)，從節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到同步消息或者即時(shí)偏差超過(guò)正常范圍（|Tmoffset|>(1+ρmk)ΔΓtight），則系統(tǒng)判定主節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器+1，此時(shí)從節(jié)點(diǎn)k就要對(duì)即時(shí)時(shí)鐘偏差做出估計(jì)，該周期時(shí)鐘偏差的估計(jì)值Tmoffset(t)如下式所示。

　　如果該節(jié)點(diǎn)故障次數(shù)達(dá)到設(shè)定值n，則從節(jié)點(diǎn)k認(rèn)為該主節(jié)點(diǎn)i失效，向總線各節(jié)點(diǎn)發(fā)出更換主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求。其他節(jié)點(diǎn)接收請(qǐng)求，檢查錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器并做出反饋，若錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器達(dá)到n/2，則同意，否則反對(duì)。當(dāng)同意更換主節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)50%時(shí)，系統(tǒng)掃描主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表，選擇優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)，并向總線上所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息。

　　2.3基于CAN總線的單主節(jié)點(diǎn)協(xié)商同步算法

　　本文建立了一種基于CAN總線的單主時(shí)鐘協(xié)商同步算法，如圖3所示。

　　具體步驟如下：

　　（1）初始化設(shè)置，設(shè)置CAN控制寄存器，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器M置0，更新時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表，選擇初始優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)i作為主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。

　　（2）主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)i按照定義的時(shí)間間隔T周期性地廣播Sync報(bào)文，記錄該時(shí)刻的本地時(shí)鐘，第m個(gè)時(shí)鐘同步周期的時(shí)刻記為Tmi(t0)；成功接收到該Sync報(bào)文的從節(jié)點(diǎn)k記錄接收時(shí)刻的本地時(shí)鐘，記為Tmk(t1)。

　　（3）計(jì)算Tmoffset(t0)，各從節(jié)點(diǎn)根據(jù)式（10）計(jì)算出本節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間的即時(shí)偏差Tmoffset(t0)，若|Tmoffset|≤(1+ρmk)ΔΓtight，則根據(jù)式（11）計(jì)算從節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘以及頻率的調(diào)整值ΔTmk和Δfmk，令本地時(shí)鐘Tmk(t)=Tmk(t)+ΔTmk，fmk=fmk+Δfmk+η，否則錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器M=M+1，根據(jù)式（13）計(jì)算出從節(jié)點(diǎn)在該時(shí)鐘周期內(nèi)的時(shí)鐘偏差估計(jì)值Tmoffset(t)，從而得出調(diào)整值的估計(jì)值ΔTmk、Δfmk ，并對(duì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整。圖3基于CAN總線的單主時(shí)鐘同步算法（4）各從節(jié)點(diǎn)完成時(shí)鐘同步測(cè)量計(jì)算過(guò)程后，保存各值并向總線上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送Resp報(bào)文，該報(bào)文包括Tmoffset(t0)、Tmi(t0)、Tmk(t1)的值，各節(jié)點(diǎn)接收到Resp報(bào)文后根據(jù)式（12）計(jì)算時(shí)鐘方差σ2，并更新時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表。

　　（5）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器M=M+1，同時(shí)本地時(shí)鐘Tmk(t)=Tmk(t)+ΔTmk，fmk=fmk+Δfmk+η。

　　(6)若某節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)M≥n，向總線發(fā)送更換主節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求。

　　(7)各節(jié)點(diǎn)接收到更換請(qǐng)求，檢查各自錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器，若達(dá)到n/2，則同意更換，否則不同意。

　　(8)若同意更換主節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)50%，則系統(tǒng)掃描主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表，選擇優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)，并向總線上所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息，否則不同意。

　　(9)同步周期結(jié)束，各從節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器清零，返回步驟（2）。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證上述算法，在Vector CANoe仿真軟件上對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。首先建立7個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)所組成的CAN網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)將選擇出主節(jié)點(diǎn)（本次仿真選擇VCU為初始主節(jié)點(diǎn)）。建立節(jié)點(diǎn)消息數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含_Sync_Message消息和_Resp_Message消息，其中_Sync_Message為主節(jié)點(diǎn)向各從節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步消息，各從節(jié)點(diǎn)收到_Sync_Message消息后，向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送_Resp_Message消息，_Message消息為各節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸?shù)钠胀ㄏⅰ?/p>

　　利用CAPL編寫程序，設(shè)置主節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步消息的周期為200 ms，程序如下。

　　variables

　　{

　　message VCU_Sync_Message mVCU_Sync_Message；

　　mstimer timer_VCU;

　　}

　　on timer timer_VCU

　　{

　　setTimer（timer_VCU,200）；

　　output（mVCU_Sync_Message）

　　}

　　配置完成后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

　　由于在仿真過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)都在理論情況下運(yùn)行，為了使仿真能夠反映真實(shí)的系統(tǒng)情況，在仿真過(guò)程中加入適當(dāng)?shù)母蓴_。選擇優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)VCU作為初始主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。當(dāng)主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)VCU發(fā)生故障時(shí)，各節(jié)點(diǎn)掃描主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表，選擇優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)EMS作為新的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明本文所提算法可以防止主從時(shí)鐘同步的單點(diǎn)失效，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。圖5仿真過(guò)程Trace窗口

　　圖6CAN通信模塊接線圖為了能夠真實(shí)反映本文所提出的同步算法的可靠性以及精度，構(gòu)建一個(gè)具有真實(shí)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并利用CANoe軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析和測(cè)試。其中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均由微控制器（51單片機(jī)）、CAN控制器（SJA1000T）以及CAN收發(fā)器（TJA1050）所構(gòu)成，CAN通信模塊連接圖如圖6所示。

　　選取文獻(xiàn)［2］中的前期協(xié)商同步方法以及文獻(xiàn)［5］中的相對(duì)偏差選擇方法與本文所述方法在上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行比較，圖7為上述時(shí)鐘同步方法在波特率為500 kb/s時(shí)利用CANoe軟件測(cè)量的同步偏差的絕對(duì)值，橫坐標(biāo)為同步周期（ms），縱坐標(biāo)為同步偏差（μs）。從圖中可以看出，本文時(shí)鐘同步方法的同步偏差略小于相對(duì)偏差選擇方法，而前期協(xié)商同步方法的同步偏差都要大于其他兩種方法，但是相對(duì)偏差選擇方法在同步過(guò)程中同步消息并沒(méi)有考慮傳輸過(guò)程中的消息延時(shí)，因此本文時(shí)鐘同步方法的精度更好。

4結(jié)論

　　本文在分析主從同步、協(xié)商同步等方法存在問(wèn)題及CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)CAN總線時(shí)鐘同步基本問(wèn)題進(jìn)行了描述，并提出了一種基于CAN總線的單主時(shí)鐘協(xié)商同步算法。該算法可在主、從節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)失效時(shí)利用CAN總線的時(shí)鐘特性及時(shí)地對(duì)即時(shí)偏差進(jìn)行估計(jì)，使總線各節(jié)點(diǎn)依然能夠正常工作，并利用主時(shí)鐘同步優(yōu)先級(jí)列表選擇新的主節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：新的時(shí)鐘同步機(jī)制能夠防止單點(diǎn)失效，可靠性高，具有更高的同步精度，并且適用更為廣泛，為CAN系統(tǒng)精確時(shí)鐘同步提供更好的解決方法。

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