TTCAN的時(shí)間同步分析

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(同濟大學(xué)機械工程學(xué)院,上海 201804)摘要: 對基于時(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,提出群組內部同步算法的數學(xué)模型,并對其同步精度進(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:--級擴展通過(guò)軟件層來(lái)實(shí)現節點(diǎn)問(wèn)的時(shí)間同步;基于時(shí)間觸發(fā)的系統有一個(gè)基本的前提即假設網(wǎng)二級擴 展通過(guò)硬件層來(lái)實(shí)現節點(diǎn)間的時(shí)間同步。本文主絡(luò )中所有的節點(diǎn)都工作在同一個(gè)全局時(shí)鐘下。但是，要 討論二級擴展的TTCAN群組內部的時(shí)間同步。在分布式通信系統中,每一個(gè)節點(diǎn)都有自己的時(shí)鐘,并1 時(shí)鐘同步 原理以此為基準工作。由于溫度、電壓等外界的擾動(dòng)以及1.1 時(shí)鐘基準與時(shí)間窗產(chǎn)生時(shí)鐘的物理器件本身的誤差,不同節點(diǎn)的時(shí)間基TTCAN中的最小時(shí)間節拍為網(wǎng)絡(luò )時(shí)間單元準將互機偏離。所以，基于時(shí)間觸發(fā)的協(xié)議必然會(huì )有(network time unit, NTU),- -級擴展中用一個(gè)16位的一個(gè)時(shí)鐘同步策略,通過(guò)實(shí)施這個(gè)策略使得網(wǎng)絡(luò )中各整數來(lái)對NTU進(jìn)行計數,二級擴展中還增加了至少3.個(gè)節點(diǎn)的本地時(shí)鐘基本保持一致。TTCAN ( time位的小數值以提高計時(shí)精度。計數值即為節點(diǎn)的本地triggered communication on cotroller area network)是基時(shí)間( local time)。網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)的NTU長(cháng)度必須在于CAN的高層協(xié)議。它采用一些策略實(shí)現了時(shí)間觸允許誤差內保持基本- 致。NTU的計算對兩種不同級發(fā)的通信,與此同時(shí)也保留了CAN的事件觸發(fā)通信方別的擴展方式而言有所不同:在一級擴展中,NTU用式,提高了協(xié)議運用的靈活性。TTCAN在CAN的基礎CAN的名義位時(shí)間來(lái)計量;在二級擴展中,用專(zhuān)門(mén)的硬上的擴展分為兩種形式,即extension level 1和件時(shí)鐘為之計量。NTU由上述用來(lái)計量的本地的系統extension level 2。兩種擴展方式在時(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,博士生導師。同濟大學(xué)機械設計及理論研究所所長(cháng)。主要研究方向為機電液一體化技術(shù)及在工程領(lǐng)域中的應用研究、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。研究方向為機電液一體蘭皓1985年生,碩士研究生。研究方向為機電液一體/MYHCNMHG蔣佳1985年生,博士研究生。研究方向為機電液一體化技術(shù)。24機電-體化12011.4Research . Development |阡究樂(lè )發(fā)TUR通常會(huì )因為節點(diǎn)的系統時(shí)鐘不一而存在差異,為正當前節點(diǎn)的相位"。了保證系統中各節點(diǎn)的NTU長(cháng)度基本一致,需要對對于連續的兩個(gè)基本周期,節點(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,且不是考報文,其中會(huì )有兩個(gè)主 參考標記值。這兩個(gè)主參考一個(gè)整數"。標記值的差即為時(shí)間主節點(diǎn)在其本地時(shí)鐘坐標的基本TTCAN通信中定義了3種不同的時(shí)間窗(time周期長(cháng)度;同樣,當前節點(diǎn)會(huì )有兩個(gè)局部的參考標記，window) ,時(shí)間窗的長(cháng)度可變,用NTU計量。若干個(gè)不這兩個(gè)標記值之 問(wèn)的差即為當前節點(diǎn)在其本地時(shí)鐘坐同類(lèi)型的時(shí)間窗組合在一起將構成一個(gè)基本周期標的基本周 期的長(cháng)度。根據這兩個(gè)差值的比值,可以(asiceycle),基本周期的長(cháng)度可以由周期時(shí)問(wèn)(cycle計算出局部時(shí)問(wèn)漂移的修正比值,然后可以校正當前time)來(lái)計數,計量單位是NTU。每個(gè)基本周期開(kāi)始時(shí)，節 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 )復位,通常同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中周期時(shí)間的長(cháng)的乘積"。度是個(gè)定值。由數個(gè)(通常為偶數)基本周期,可以構2數學(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，2.1 基本假設基本周期之間相應的時(shí)間窗的長(cháng)度相等,但是時(shí)間窗為了簡(jiǎn)化,對真實(shí)的TTCAN群組通信情況進(jìn)行假的類(lèi)型可以不同。設。假設同步只在群組內部進(jìn)行,并且忽略群組內部1.2 時(shí)間主節點(diǎn)各節點(diǎn)系統時(shí)鐘的非線(xiàn)性誤差,則各無(wú)錯節點(diǎn)的NTU網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間主節點(diǎn)( time master)通常會(huì )較頻繁地長(cháng)度在正?；?周期內為常數,時(shí)間主節點(diǎn)的NTU長(cháng)往總線(xiàn)上發(fā)送用于網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步的參考報文(eference度在整個(gè) 通信過(guò)程中為常數”。message)。為了具有更好的容錯性,同-一個(gè)網(wǎng)絡(luò )通常會(huì )對TTCAN群組內部節點(diǎn)同步進(jìn)行誤差分析,可將有冗余的時(shí)間主節點(diǎn)。在- -個(gè)基本通信周期結束后，誤差歸結為量化 誤差、整除誤差、群組漂移誤差傳輸網(wǎng)絡(luò )的各時(shí)間主節點(diǎn)都會(huì )嘗試著(zhù)往總線(xiàn)上發(fā)送時(shí)間參延時(shí)等”。 事件發(fā)生的準確時(shí)間可能在兩個(gè)時(shí)鐘脈沖考報文。這些沒(méi)有正式成為時(shí)間主節點(diǎn)的節點(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(chēng)為潛在的時(shí)間主節點(diǎn)。為了防止潛在的時(shí)間主節點(diǎn)錄,這 個(gè)差值即為量化誤差。在頻率校正時(shí),除法的結發(fā)送時(shí)間參考報文時(shí)可能發(fā)生的通信擁堵,它們會(huì )根果并非整數,這將引入一個(gè)整除誤差。為了保證NTU .據各自的優(yōu)先級別,在發(fā)送參考報文之前先等待一段的長(cháng)度在預定范圍內,在對頻率進(jìn)行校正時(shí),將會(huì )對頻不同長(cháng)度的時(shí)間。根據網(wǎng)絡(luò )仲裁原則,優(yōu)先級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)間主節點(diǎn)最終將獲得全局時(shí)間的控尼誤差。 報文從一個(gè)節點(diǎn)發(fā)出到另一個(gè)節點(diǎn)接收,有制權"。一個(gè)時(shí)差,即是報文傳輸延時(shí)。上述誤差里,傳輸延時(shí)1.3 相位與頻率校正對系統同步精度影響大,故假設群組同步僅受傳輸延在每個(gè)報文的幀起始處( start of frame, SOF)節點(diǎn)時(shí)的影響(4。都會(huì )對本地時(shí)間做相應的記錄,即為同步標記(sync2.2符號定義mark)。如果確認這個(gè)報文是合法的參考報文,則當前令C為群組內所有節點(diǎn)控制器的集合, Cg為群組的同步標記將被視作新的參考標記(reference mark),內所有無(wú)錯節點(diǎn)的集合,則i,j e C是群組內任意的參考標記為周期時(shí)鐘的起點(diǎn)。對于時(shí)間主節點(diǎn),參考無(wú)錯節點(diǎn),m ∈Cn是群組內正常的時(shí)間主節點(diǎn)控標記將存儲為主參考標記( master reference mark),并制器。計劃發(fā)送到總線(xiàn)上。其他節點(diǎn)在接收到參考報文后,令e{為節點(diǎn)i第r基本周期的參考標記(接收報會(huì )將參考報文中的主參考標記及自身記錄下來(lái)的參考文的時(shí)間) 與主參考標記(發(fā)送報文的時(shí)間)在真實(shí)時(shí)標記的值作差,此即為局部偏移量(local ofiset)。 下一間坐標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機電一體化25TTCAN的時(shí)間同步分析T(t)為節點(diǎn)i第r基本周期內的周期時(shí)鐘到真實(shí)=To.)n(e"-g})-(e!"-e{)時(shí)間的映射，,那么T;(0)表示節點(diǎn)i第r基本周期參考"'(0) - T。(0)標記的真實(shí)時(shí)間,且有根據假設有e; = T。(0) - T(0)。(1)T*(0) -T.(0) = Taom●z令Tmn)I為節點(diǎn)i第r基本周期內的網(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AT(o,n)≤(11)由式(1)、式(2)得2.5結論|T(t) -T(t)|=結合式(6)、(11),得(Toa,n-To.n;).t+(e;-e{)|≤(5)<(號+)_結合式(3) ~式(5)得因為t≈z,故OT≤ST(n.n)●t+ε_x(6)OT≈3e_ < 4eε..;2.4頻率誤差根據以上關(guān)于頻率修正的闡述,令z;為節點(diǎn)i第rSTa.n)≤基本周期在其本地時(shí)鐘坐標下的時(shí)間長(cháng)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,二級擴展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為節點(diǎn)i第r基本周期頻率修正值,則3結語(yǔ)綜上所述,二級擴展TTCAN的同步策略可以對網(wǎng)k' =(8)絡(luò )進(jìn)行預期的時(shí) 鐘同步,而且保證同步的精度在可接受的范圍內。本文沒(méi)有考慮在實(shí)際情況中網(wǎng)絡(luò )存在非令Tq n)'為節點(diǎn)i第r基本周期內的時(shí)鐘頻率，線(xiàn)性的誤差 及影響較小的線(xiàn)性誤差,且對于主節點(diǎn)發(fā)"為其系統時(shí)鐘,則有生故障的情況未作分析,未來(lái)的工作至少應該對以上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[1 ] HARTWVICH F FUHRER T. 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