TTCAN的时间同步分析

TTCAN的时间同步分析Analysis on Clock Synchronization of TTCAN卞永明李生博兰皓蒋佳(同济大学机械工程学院,上海 201804)摘要: 对基于时间触发的通讯协议TTCAN的时间同步策略进行了阐述,提出群组内部同步算法的数学模型,并对其同步精度进行了分析。关键词: TTCAN时间触发 时钟同步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:--级扩展通过软件层来实现节点问的时间同步;基于时间触发的系统有一个基本的前提即假设网二级扩 展通过硬件层来实现节点间的时间同步。本文主络中所有的节点都工作在同一个全局时钟下。但是，要 讨论二级扩展的TTCAN群组内部的时间同步。在分布式通信系统中,每一个节点都有自己的时钟,并1 时钟同步 原理以此为基准工作。由于温度、电压等外界的扰动以及1.1 时钟基准与时间窗产生时钟的物理器件本身的误差,不同节点的时间基TTCAN中的最小时间节拍为网络时间单元准将互机偏离。所以，基于时间触发的协议必然会有(network time unit, NTU),- -级扩展中用一个16位的一个时钟同步策略,通过实施这个策略使得网络中各整数来对NTU进行计数,二级扩展中还增加了至少3.个节点的本地时钟基本保持一致。TTCAN ( time位的小数值以提高计时精度。计数值即为节点的本地triggered communication on cotroller area network)是基时间( local time)。网络中各节点的NTU长度必须在于CAN的高层协议。它采用一些策略实现了时间触允许误差内保持基本- 致。NTU的计算对两种不同级发的通信,与此同时也保留了CAN的事件触发通信方别的扩展方式而言有所不同:在一级扩展中,NTU用式,提高了协议运用的灵活性。TTCAN在CAN的基础CAN的名义位时间来计量;在二级扩展中,用专门的硬上的扩展分为两种形式,即extension level 1和件时钟为之计量。NTU由上述用来计量的本地的系统extension level 2。两种扩展方式在时间同步策略上有所时钟及本地时间单元频率( time unit ratio, TUR)决定。作者简介:卞永明1966 年生,博士,博士生导师。同济大学机械设计及理论研究所所长。主要研究方向为机电液一体化技术及在工程领域中的应用研究、实时网络控制理中国煤化工事生博1986 年生,硕士研究生。研究方向为机电液一体兰皓1985年生,硕士研究生。研究方向为机电液一体/MYHCNMHG蒋佳1985年生,博士研究生。研究方向为机电液一体化技术。24机电-体化12011.4Research . Development |阡究乐发TUR通常会因为节点的系统时钟不一而存在差异,为正当前节点的相位"。了保证系统中各节点的NTU长度基本一致,需要对对于连续的两个基本周期,节点会接收到两个参TUR进行校正,因而TUR通常会不断地变化,且不是考报文,其中会有两个主 参考标记值。这两个主参考一个整数"。标记值的差即为时间主节点在其本地时钟坐标的基本TTCAN通信中定义了3种不同的时间窗(time周期长度;同样,当前节点会有两个局部的参考标记，window) ,时间窗的长度可变,用NTU计量。若干个不这两个标记值之 问的差即为当前节点在其本地时钟坐同类型的时间窗组合在一起将构成一个基本周期标的基本周 期的长度。根据这两个差值的比值,可以(asiceycle),基本周期的长度可以由周期时问(cycle计算出局部时问漂移的修正比值,然后可以校正当前time)来计数,计量单位是NTU。每个基本周期开始时，节 点的频率。新的频率即为旧的频率与漂移修正比值周期时间都会复位,通常同一个网络中周期时间的长的乘积"。度是个定值。由数个(通常为偶数)基本周期,可以构2数学模型的建立成一个矩阵周期( marix seycle)。同一个矩阵周期内，2.1 基本假设基本周期之间相应的时间窗的长度相等,但是时间窗为了简化,对真实的TTCAN群组通信情况进行假的类型可以不同。设。假设同步只在群组内部进行,并且忽略群组内部1.2 时间主节点各节点系统时钟的非线性误差,则各无错节点的NTU网络的时间主节点( time master)通常会较频繁地长度在正常基本 周期内为常数,时间主节点的NTU长往总线上发送用于网络时间同步的参考报文(eference度在整个 通信过程中为常数”。message)。为了具有更好的容错性,同-一个网络通常会对TTCAN群组内部节点同步进行误差分析,可将有冗余的时间主节点。在- -个基本通信周期结束后，误差归结为量化 误差、整除误差、群组漂移误差传输网络的各时间主节点都会尝试着往总线上发送时间参延时等”。 事件发生的准确时间可能在两个时钟脉冲考报文。这些没有正式成为时间主节点的节点通常被上升沿的中 部;但本地时钟是在时钟脉冲的上升沿记称为潜在的时间主节点。为了防止潜在的时间主节点录,这 个差值即为量化误差。在频率校正时,除法的结发送时间参考报文时可能发生的通信拥堵,它们会根果并非整数,这将引入一个整除误差。为了保证NTU .据各自的优先级别,在发送参考报文之前先等待一段的长度在预定范围内,在对频率进行校正时,将会对频不同长度的时间。根据网络仲裁原则,优先级别最高率修正比值进行检查限制，这将引入一个群组漂移阻的潜在的时间主节点最终将获得全局时间的控尼误差。 报文从一个节点发出到另一个节点接收,有制权"。一个时差,即是报文传输延时。上述误差里,传输延时1.3 相位与频率校正对系统同步精度影响大,故假设群组同步仅受传输延在每个报文的帧起始处( start of frame, SOF)节点时的影响(4。都会对本地时间做相应的记录,即为同步标记(sync2.2符号定义mark)。如果确认这个报文是合法的参考报文,则当前令C为群组内所有节点控制器的集合, Cg为群组的同步标记将被视作新的参考标记(reference mark),内所有无错节点的集合,则i,j e C是群组内任意的参考标记为周期时钟的起点。对于时间主节点,参考无错节点,m ∈Cn是群组内正常的时间主节点控标记将存储为主参考标记( master reference mark),并制器。计划发送到总线上。其他节点在接收到参考报文后,令e{为节点i第r基本周期的参考标记(接收报会将参考报文中的主参考标记及自身记录下来的参考文的时间) 与主参考标记(发送报文的时间)在真实时标记的值作差,此即为局部偏移量(local ofiset)。 下一间坐标中国煤化工传输延时,e;≥0。个基本周期将进行时间校正,采用新的全局时间,新的假设参YHCNMHG.. = max(e)《<全局时间为本地时间与局部偏移量之和,如此可以校T.. (I..为网络时间单元)。2011.41机电一体化25TTCAN的时间同步分析T(t)为节点i第r基本周期内的周期时钟到真实=To.)n(e"-g})-(e!"-e{)时间的映射，,那么T;(0)表示节点i第r基本周期参考"'(0) - T。(0)标记的真实时间,且有根据假设有e; = T。(0) - T(0)。(1)T*(0) -T.(0) = Taom●z令Tmn)I为节点i第r基本周期内的网络时钟单则元。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相位误差AT(o,n)≤(11)由式(1)、式(2)得2.5结论|T(t) -T(t)|=结合式(6)、(11),得(Toa,n-To.n;).t+(e;-e{)|≤(5)<(号+)_结合式(3) ~式(5)得因为t≈z,故OT≤ST(n.n)●t+ε_x(6)OT≈3e_ < 4eε..;2.4频率误差根据以上关于频率修正的阐述,令z;为节点i第rSTa.n)≤基本周期在其本地时钟坐标下的时间长度,则有i》2且正常情况下E... 的值很小,约为7~T"(0) -T(0)z{ =7) 8 ns/m')。所以,二级扩展TTCAN的同步策略可保证To,.i同步的相位精度及频率精度。令k为节点i第r基本周期频率修正值,则3结语综上所述,二级扩展TTCAN的同步策略可以对网k' =(8)络进行预期的时 钟同步,而且保证同步的精度在可接受的范围内。本文没有考虑在实际情况中网络存在非令Tq n)'为节点i第r基本周期内的时钟频率，线性的误差 及影响较小的线性误差,且对于主节点发"为其系统时钟,则有生故障的情况未作分析,未来的工作至少应该对以上To,n)I" = To.n)i.k;(9)所述不足进行改进。To.i = To,n)'t"。(10)参考文献[1 ] HARTWVICH F FUHRER T. HUCEL R, et al. Timing in结合式(7) ~式(10)有中国煤化工x2 -o7 - 06)[2010-(e"-g)YHCNMHGomboch.T.." =0.[1-T(0) -r。(0)(下转第40页)28机电一体化12011.4基于RTAI的实时PCI总线数据采集研究处理函数sigaction 理论上可以实现μs级定时精度。struct timeval it. jinterval;然而经测试后发现，很难达到μs级的高精度定时,定struct timeval it _value;时的时间最小只能达到ms级,并且无法做到每次定时;的时间问隔的稳定,常出现或快或慢的现象,这样必然导struct timeval 结构体的数据结构为:致数据采集的不准确;同时又因为定时只能达到ms级,struct timeval而工业应用中的信号一般都在1 ~ 10 kHz的范围内,根据香农采样定理,采样频率应至少为信号频率的2倍,而long tv. sec;因此无法将普通的Linux内核用作数据采集的应用。究long tv_ usec ;//us Resolution!!其原因,仍是Linux内核设计是根据时间片轮转的调度理论,不支持内核抢占,因而i也就无法保证实时性。而图7所示为分别使用RTAI和Linux对幅值为5 V、RTAI则通过对内核调度算法的改写实现了硬实时的特频率为1 kHz的正弦波信号进行采样的对比图,在两种性,可以很好地应用于工业条件下的数据采集。采样模式下均设定采样频率为50 kHz。 可见使用3结语RTAI可以完整复现原信号;而使用Linux虽然波形上本文探讨了幵源实时操作系统RTAI的基本原理基本还是正弦波,但是却出现了严重的混叠,信号已经和构架 ,并结合Adlink公司的PCI - 91HR数据采集严重失真,故无法应用于数据采集。卡,介绍了PCI数据总线的配置空间的访问方式,实现了基于RTAI的实时A/D数据采集。对比普通LinuxSignal:1 kHz内核,该种采集方式实时特性有明显提高,保证了现场Sampling: 50 kHz数据采集的可靠性和快速性。这使得开源硬实时操作in RTAI系统RTAI在工业数据采集的应用得以扩展,实现了很好的现场数据采集的效果,具有广阔的实际应用前景。0.2 0.4 0.6 0.8.41.61.8t/usxI0°参考文献[ 1 ] PAOLO MANTEGAZZA. 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