TTCAN的時(shí)間同步分析Analysis on Clock Synchronization of TTCAN卞永明李生博蘭皓蔣佳(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)摘要: 對(duì)基于時(shí)間觸發(fā)的通訊協(xié)議TTCAN的時(shí)間同步策略進(jìn)行了闡述,提出群組內(nèi)部同步算法的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)其同步精度進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞: TTCAN時(shí)間觸發(fā) 時(shí)鐘同步DOI: 10. 3969/j. issn. 1007 - 080x. 2011.04.003Abstract: The clock synchronization algorithm of TTCAN protocol is introduced, and the mathematical model ofthe clock synchronization algorithm is figured out. Finally , the precision is analyzed.Key words: TTCAN time tiggered clock synchronization0引言不同:--級(jí)擴(kuò)展通過軟件層來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)問的時(shí)間同步;基于時(shí)間觸發(fā)的系統(tǒng)有一個(gè)基本的前提即假設(shè)網(wǎng)二級(jí)擴(kuò) 展通過硬件層來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。本文主絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都工作在同一個(gè)全局時(shí)鐘下。但是，要 討論二級(jí)擴(kuò)展的TTCAN群組內(nèi)部的時(shí)間同步。在分布式通信系統(tǒng)中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的時(shí)鐘,并1 時(shí)鐘同步 原理以此為基準(zhǔn)工作。由于溫度、電壓等外界的擾動(dòng)以及1.1 時(shí)鐘基準(zhǔn)與時(shí)間窗產(chǎn)生時(shí)鐘的物理器件本身的誤差,不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基TTCAN中的最小時(shí)間節(jié)拍為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間單元準(zhǔn)將互機(jī)偏離。所以，基于時(shí)間觸發(fā)的協(xié)議必然會(huì)有(network time unit, NTU),- -級(jí)擴(kuò)展中用一個(gè)16位的一個(gè)時(shí)鐘同步策略,通過實(shí)施這個(gè)策略使得網(wǎng)絡(luò)中各整數(shù)來對(duì)NTU進(jìn)行計(jì)數(shù),二級(jí)擴(kuò)展中還增加了至少3.個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘基本保持一致。TTCAN ( time位的小數(shù)值以提高計(jì)時(shí)精度。計(jì)數(shù)值即為節(jié)點(diǎn)的本地triggered communication on cotroller area network)是基時(shí)間( local time)。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的NTU長(zhǎng)度必須在于CAN的高層協(xié)議。它采用一些策略實(shí)現(xiàn)了時(shí)間觸允許誤差內(nèi)保持基本- 致。NTU的計(jì)算對(duì)兩種不同級(jí)發(fā)的通信,與此同時(shí)也保留了CAN的事件觸發(fā)通信方別的擴(kuò)展方式而言有所不同:在一級(jí)擴(kuò)展中,NTU用式,提高了協(xié)議運(yùn)用的靈活性。TTCAN在CAN的基礎(chǔ)CAN的名義位時(shí)間來計(jì)量;在二級(jí)擴(kuò)展中,用專門的硬上的擴(kuò)展分為兩種形式,即extension level 1和件時(shí)鐘為之計(jì)量。NTU由上述用來計(jì)量的本地的系統(tǒng)extension level 2。兩種擴(kuò)展方式在時(shí)間同步策略上有所時(shí)鐘及本地時(shí)間單元頻率( time unit ratio, TUR)決定。作者簡(jiǎn)介:卞永明1966 年生,博士,博士生導(dǎo)師。同濟(jì)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究所所長(zhǎng)。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù)及在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制理中國煤化工事生博1986 年生,碩士研究生。研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體蘭皓1985年生,碩士研究生。研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體/MYHCNMHG蔣佳1985年生,博士研究生。研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù)。24機(jī)電-體化12011.4Research . Development |阡究樂發(fā)TUR通常會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘不一而存在差異,為正當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的相位"。了保證系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的NTU長(zhǎng)度基本一致,需要對(duì)對(duì)于連續(xù)的兩個(gè)基本周期,節(jié)點(diǎn)會(huì)接收到兩個(gè)參TUR進(jìn)行校正,因而TUR通常會(huì)不斷地變化,且不是考報(bào)文,其中會(huì)有兩個(gè)主 參考標(biāo)記值。這兩個(gè)主參考一個(gè)整數(shù)"。標(biāo)記值的差即為時(shí)間主節(jié)點(diǎn)在其本地時(shí)鐘坐標(biāo)的基本TTCAN通信中定義了3種不同的時(shí)間窗(time周期長(zhǎng)度;同樣,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)有兩個(gè)局部的參考標(biāo)記，window) ,時(shí)間窗的長(zhǎng)度可變,用NTU計(jì)量。若干個(gè)不這兩個(gè)標(biāo)記值之 問的差即為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在其本地時(shí)鐘坐同類型的時(shí)間窗組合在一起將構(gòu)成一個(gè)基本周期標(biāo)的基本周 期的長(zhǎng)度。根據(jù)這兩個(gè)差值的比值,可以(asiceycle),基本周期的長(zhǎng)度可以由周期時(shí)問(cycle計(jì)算出局部時(shí)問漂移的修正比值,然后可以校正當(dāng)前time)來計(jì)數(shù),計(jì)量單位是NTU。每個(gè)基本周期開始時(shí)，節(jié) 點(diǎn)的頻率。新的頻率即為舊的頻率與漂移修正比值周期時(shí)間都會(huì)復(fù)位,通常同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中周期時(shí)間的長(zhǎng)的乘積"。度是個(gè)定值。由數(shù)個(gè)(通常為偶數(shù))基本周期,可以構(gòu)2數(shù)學(xué)模型的建立成一個(gè)矩陣周期( marix seycle)。同一個(gè)矩陣周期內(nèi)，2.1 基本假設(shè)基本周期之間相應(yīng)的時(shí)間窗的長(zhǎng)度相等,但是時(shí)間窗為了簡(jiǎn)化,對(duì)真實(shí)的TTCAN群組通信情況進(jìn)行假的類型可以不同。設(shè)。假設(shè)同步只在群組內(nèi)部進(jìn)行,并且忽略群組內(nèi)部1.2 時(shí)間主節(jié)點(diǎn)各節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)鐘的非線性誤差,則各無錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的NTU網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間主節(jié)點(diǎn)( time master)通常會(huì)較頻繁地長(zhǎng)度在正常基本 周期內(nèi)為常數(shù),時(shí)間主節(jié)點(diǎn)的NTU長(zhǎng)往總線上發(fā)送用于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的參考報(bào)文(eference度在整個(gè) 通信過程中為常數(shù)”。message)。為了具有更好的容錯(cuò)性,同-一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)對(duì)TTCAN群組內(nèi)部節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)行誤差分析,可將有冗余的時(shí)間主節(jié)點(diǎn)。在- -個(gè)基本通信周期結(jié)束后，誤差歸結(jié)為量化 誤差、整除誤差、群組漂移誤差傳輸網(wǎng)絡(luò)的各時(shí)間主節(jié)點(diǎn)都會(huì)嘗試著往總線上發(fā)送時(shí)間參延時(shí)等”。 事件發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間可能在兩個(gè)時(shí)鐘脈沖考報(bào)文。這些沒有正式成為時(shí)間主節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)通常被上升沿的中 部;但本地時(shí)鐘是在時(shí)鐘脈沖的上升沿記稱為潛在的時(shí)間主節(jié)點(diǎn)。為了防止?jié)撛诘臅r(shí)間主節(jié)點(diǎn)錄,這 個(gè)差值即為量化誤差。在頻率校正時(shí),除法的結(jié)發(fā)送時(shí)間參考報(bào)文時(shí)可能發(fā)生的通信擁堵,它們會(huì)根果并非整數(shù),這將引入一個(gè)整除誤差。為了保證NTU .據(jù)各自的優(yōu)先級(jí)別,在發(fā)送參考報(bào)文之前先等待一段的長(zhǎng)度在預(yù)定范圍內(nèi),在對(duì)頻率進(jìn)行校正時(shí),將會(huì)對(duì)頻不同長(zhǎng)度的時(shí)間。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)仲裁原則,優(yōu)先級(jí)別最高率修正比值進(jìn)行檢查限制，這將引入一個(gè)群組漂移阻的潛在的時(shí)間主節(jié)點(diǎn)最終將獲得全局時(shí)間的控尼誤差。 報(bào)文從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收,有制權(quán)"。一個(gè)時(shí)差,即是報(bào)文傳輸延時(shí)。上述誤差里,傳輸延時(shí)1.3 相位與頻率校正對(duì)系統(tǒng)同步精度影響大,故假設(shè)群組同步僅受傳輸延在每個(gè)報(bào)文的幀起始處( start of frame, SOF)節(jié)點(diǎn)時(shí)的影響(4。都會(huì)對(duì)本地時(shí)間做相應(yīng)的記錄,即為同步標(biāo)記(sync2.2符號(hào)定義mark)。如果確認(rèn)這個(gè)報(bào)文是合法的參考報(bào)文,則當(dāng)前令C為群組內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)控制器的集合, Cg為群組的同步標(biāo)記將被視作新的參考標(biāo)記(reference mark),內(nèi)所有無錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的集合,則i,j e C是群組內(nèi)任意的參考標(biāo)記為周期時(shí)鐘的起點(diǎn)。對(duì)于時(shí)間主節(jié)點(diǎn),參考無錯(cuò)節(jié)點(diǎn),m ∈Cn是群組內(nèi)正常的時(shí)間主節(jié)點(diǎn)控標(biāo)記將存儲(chǔ)為主參考標(biāo)記( master reference mark),并制器。計(jì)劃發(fā)送到總線上。其他節(jié)點(diǎn)在接收到參考報(bào)文后,令e{為節(jié)點(diǎn)i第r基本周期的參考標(biāo)記(接收?qǐng)?bào)會(huì)將參考報(bào)文中的主參考標(biāo)記及自身記錄下來的參考文的時(shí)間) 與主參考標(biāo)記(發(fā)送報(bào)文的時(shí)間)在真實(shí)時(shí)標(biāo)記的值作差,此即為局部偏移量(local ofiset)。 下一間坐標(biāo)中國煤化工傳輸延時(shí),e;≥0。個(gè)基本周期將進(jìn)行時(shí)間校正,采用新的全局時(shí)間,新的假設(shè)參YHCNMHG.. = max(e)《<全局時(shí)間為本地時(shí)間與局部偏移量之和,如此可以校T.. (I..為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間單元)。2011.41機(jī)電一體化25TTCAN的時(shí)間同步分析T(t)為節(jié)點(diǎn)i第r基本周期內(nèi)的周期時(shí)鐘到真實(shí)=To.)n(e"-g})-(e!"-e{)時(shí)間的映射，,那么T;(0)表示節(jié)點(diǎn)i第r基本周期參考"'(0) - T。(0)標(biāo)記的真實(shí)時(shí)間,且有根據(jù)假設(shè)有e; = T。(0) - T(0)。(1)T*(0) -T.(0) = Taom●z令Tmn)I為節(jié)點(diǎn)i第r基本周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘單則元。于是有T() = Ta.01.t+ T(0);(2)."--." =-(e;"'-g})-(e;"-e{)z,AT() = max |T() - T,(1)|;l.Je CrOTro,.)(1) = max|raoi-o.j|o (4)i。2.3相位誤差A(yù)T(o,n)≤(11)由式(1)、式(2)得2.5結(jié)論|T(t) -T(t)|=結(jié)合式(6)、(11),得(Toa,n-To.n;).t+(e;-e{)|≤(5)<(號(hào)+)_結(jié)合式(3) ~式(5)得因?yàn)閠≈z,故OT≤ST(n.n)●t+ε_(tái)x(6)OT≈3e_ < 4eε..;2.4頻率誤差根據(jù)以上關(guān)于頻率修正的闡述,令z;為節(jié)點(diǎn)i第rSTa.n)≤基本周期在其本地時(shí)鐘坐標(biāo)下的時(shí)間長(zhǎng)度,則有i》2且正常情況下E... 的值很小,約為7~T"(0) -T(0)z{ =7) 8 ns/m')。所以,二級(jí)擴(kuò)展TTCAN的同步策略可保證To,.i同步的相位精度及頻率精度。令k為節(jié)點(diǎn)i第r基本周期頻率修正值,則3結(jié)語綜上所述,二級(jí)擴(kuò)展TTCAN的同步策略可以對(duì)網(wǎng)k' =(8)絡(luò)進(jìn)行預(yù)期的時(shí) 鐘同步,而且保證同步的精度在可接受的范圍內(nèi)。本文沒有考慮在實(shí)際情況中網(wǎng)絡(luò)存在非令Tq n)'為節(jié)點(diǎn)i第r基本周期內(nèi)的時(shí)鐘頻率，線性的誤差 及影響較小的線性誤差,且對(duì)于主節(jié)點(diǎn)發(fā)"為其系統(tǒng)時(shí)鐘,則有生故障的情況未作分析,未來的工作至少應(yīng)該對(duì)以上To,n)I" = To.n)i.k;(9)所述不足進(jìn)行改進(jìn)。To.i = To,n)'t"。(10)參考文獻(xiàn)[1 ] HARTWVICH F FUHRER T. 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