CN106603367A - 一种用于时间同步的can总线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于时间同步的CAN总线通信方法，通过将节点群中的一个设置为主节点，其余节点以主节点发送的同步信息为基准进行时间同步，节点的时间同步无需上位机的参与，降低了对上位机实时性的要求，进一步保证了上位机的灵活性和运算效率。本发明的其他方面还通过采用时间戳信息大大提高时间同步精度，通过时间槽分时传输的数据反馈方式保证总线的通信效率和各节点的实时性，通过在节点中设置相同的缓冲规则，降低了上位机对单个节点缓冲信息获取的实时性要求，有效降低了单个节点状态反馈的通信频率。

Description

一种用于时间同步的CAN总线通信方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种用于时间同步的CAN总线通信方法。

背景技术

CAN(Controller Area Network,控制器局域网)总线作为控制***的一种通讯网络在分布式网络控制***中发展较快，是一种多线路网络通信***。现有的运动控制***大多采用基于CAN总线的网络通信模式。CAN总线的高性能和可靠性已被认同，较低的成本与极高的总线利用率，使其被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

但在对实时性要求较高的多节点CAN总线通信中，存在以下问题：

1.CAN总线是多主发送，各个站点在任何时候都可以随机发送数据，采用无破坏性的仲裁机制，即若总线上的多个节点同时发送数据，具有高优先级数据包的节点仲裁胜出，可以继续发送数据，而其它仲裁失败的节点将退出发送状态而转为接收节点，这种带宽分配不均的“乱序抢占”模式中优先级较低的站点可能在多次竞争中失败，导致信息不能及时发送，或者有时发送产生冲突，有时则顺利发送，造成发送延时的不确定性，***通信的可靠性和效率较低。

2.在数控、机器人等多轴实时运动控制***的CAN总线通信过程中，为了保证各轴运动指令的同步运行，核心问题之一就是各节点时间同步问题，现有技术如图1所示，一般是通过在上位机运行实时操作***，在规定时间点准时逐一向各节点发送同步信息，各节点依次接收同步信息完成同步并反馈状态信息给上位机的1对1命令-应答模式，同步周期长效率低，对上位机要求运行实时操作***且占用率高，CAN总线的通信效率也较低。

3.现有时间同步方式尽管上位机在规定时间点准时发送同步信息，但由于CAN通信发送和接收一般是FIFO中断式，数据在实际通信中并非是程序指令下达后立即发送、接收后立即程序响应，存在FIFO延迟和中断响应延迟，即上位机发送时一般存在发送延迟偏差，节点接收时存在接收延迟偏差，导致各节点形成的同步实际上大多参差不齐，时间同步精度不高，对于同步精度要求较高的应用难以满足要求。

发明内容

本发明的一目的，在于提供一种用于时间同步的CAN总线通信方法，通过将一节点设为主节点进行所有节点的时间同步，降低了对上位机实时性的要求，进一步保证了上位机的灵活性和运算效率。

本发明的一目的，在于提供一种用于时间同步的CAN总线通信方法，通过节点时间同步，各节点采用分时传输依次反馈数据，提高了CAN总线的工作效率，并保证了CAN总线的实时性。

本发明的一目的，在于提供一种用于时间同步的CAN总线通信方法，通过采用时间戳信息来进行各节点时间同步，大大提高了时间同步精度。

本发明的一目的，在于提供一种用于时间同步的CAN总线通信方法，通过对各节点设置相同的数据缓冲规则，令上位机获得任一节点的数据缓冲信息即可认为是得到了所有节点的数据缓冲状态，降低了上位机对单个节点缓冲信息获取的实时性要求，有效降低了对上位机的实时性要求和单个节点状态反馈的通信频率。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种用于时间同步的CAN总线通信方法，所述CAN总线上包括至少两个节点，设置一个节点为主节点，其余节点以主节点为基准进行时间同步。通过将节点中的一个设为主节点来进行所有节点的时间同步，无需上位机的干预，降低了对上位机实时性的要求，进一步保证了上位机的灵活性和运算效率，尤其是在运动控制***中，下位各节点一般是嵌入式核心的控制节点，运行实时操作***，上位机一般是普通计算机，运行的一般是非实时的Windows***，通过本发明的通信方法，可以既保证时间同步的实时性，又降低了对上位机实时性的要求。

优选的，所述主节点定时向其余节点发送时间同步信息，其余节点根据主节点发送的间同步信息来调整各自的本地时间，以达到时间同步。通过主节点定时主动发送时间同步消息来使其余节点获得时间校准信息以实现时间同步，尤其是在运动控制***中，各个节点的时钟频率不可能完全一致，同步校准后运行一段时间偏差便会越来越大，影响***性能，这时更需要不断的定时进行时间同步校准。

优选的，所述主节点定时向其余节点发送时间同步信息包括发送时间戳信息。通过主节点向其余节点发送自己的时间戳信息作为绝对或相对的时间基准，其余节点以此为基础进行时间同步。

优选的，所述主节点发送的时间戳信息为发送报文帧起始SOF时刻的主节点计时器值，其余节点根据接收的该时间戳信息和相对应的接收报文帧起始SOF时刻的本地计时器值来调整各自的本地时间，以达到时间同步。通过将主节点发送的时间戳信息对应报文帧起始SOF时刻的主节点计时器值实现精确的时间戳，相比现有技术的在程序中读取***时钟写入数据帧后发送的方式，克服了程序指令延迟、FIFO延迟和实际CAN发送响应延迟带来的误差，理论上可以精确到一个位传输时间(计时器可以采用CAN波特率的频率)，例如对应1Mbps速率时为1us。进一步的，在接收方，其余节点相对应的以接收报文帧起始SOF时刻的本地计时器值作为主节点时间戳信息对应的本地时间，从而相应的进行本地时间调整实现与主节点精确对时，由于以几乎相同时刻的报文帧起始SOF(线路传输延迟为ns级一般可忽略)作为时间同步基准，克服了现有技术节点接收同步信息后程序读取时间戳信息并修正数据接收时间所带来的程序指令延迟、FIFO延迟和实际CAN接收响应延迟带来的误差，理论上可精确到一个位传输时间，也就是说，所有节点的时间同步精度理论上可以精确到一个位传输时间，可以满足***精确的时间同步需求。对于具体实现将报文帧起始SOF时刻的计时器值作为时间戳信息发送以及读取接收报文帧起始SOF时刻的本地计时器值，在现有STM32嵌入式微控制器产品的内置CAN控制器硬件中已经具备相应的功能，或者也可采用基于FPGA等可编程逻辑器件的CAN控制器软核来实现相应功能，属于本领域的现有技术，在此不做赘述。

优选的，所述CAN总线上还包括至少一个上位机，所有节点在完成时间同步后，所述上位机向各节点发送数据，各节点按照优先级次序采用分时传输方式对上位机进行数据反馈。通过各节点按照优先级次序轮流占用时间槽的分时传输方式对上位机进行数据反馈，从而保证各个优先级的节点能够平等的获得总线的使用权，使各节点的信息都能够顺利及时的发送，大大提高了通信效率，减少冲突的产生。对于运动控制***经常是多个控制周期连续执行，每个控制周期都要执行上位机发送数据，例如位置命令等，下位各节点依次反馈状态数据，由于控制周期一般由上位机发送数据发起，获得下位节点相应数据反馈后完成，下位节点的同步指令执行并不要求上位机的参与，所以上位机与下位节点之间的时间同步要求相对较低，上位机可以根据自己的***时钟来安排控制周期，当然需要整个***精确同步时上位机也可进一步的以主节点为基准进行时间同步，采用与其余节点相同的同步方式即可。

优选的，所述分时传输方式是根据各节点数据传输所需时长和优先级次序进行通信时间分配，各节点依次在分配的时间进行数据传输。通过根据各节点实际情况进行更加细致具体的通信时间分配，由于所有节点时间上已经同步，可以做到准确的分配各节点在规定的时间点使用总线，各节点使用总线的时间点连续但不交叉(除去上位机发送数据时间)，进一步提高总线通信效率，减少冲突的产生。

优选的，各节点按照相同的FIFO模式缓冲上位机发送的数据，各节点按照FIFO次序取出相应数据，所有节点对取出的相应数据在时间上进行同步操作。通过在各节点设置FIFO缓冲，降低了上位机与各节点之间的实时数据收发匹配要求，所有节点的同步数据操作更加稳定准确，解决了因为发送或接收的不及时造成节点无法同步数据操作的问题。缓冲数据的数量可根据***通信速率和节点响应速度等进行设置，一般设置为2-4。

优选的，各节点对上位机的反馈数据包括各自的FIFO缓冲状态。通过获取节点FIFO缓冲状态，上位机可了解各节点的运行状态，如果FIFO不是满的状态上位机可以继续发送数据，FIFO已满则需要暂停发送数据。

优选的，所述上位机向各节点发送的数据为广播式打包发送，打包数据中包括所有节点所需的数据，各节点统一接收打包数据后取出各自对应的数据。通过上位机广播打包发送数据，所有节点统一同步接收的方式，相比现有技术1对1的命令-应答方式可进一步提高通信效率，对各节点接收数据的时刻也进行了同步，如果节点数量不多、数据较少时更可以打包到一个数据帧中进一步提高通信效率和实时性(可将CAN数据帧的标准帧或扩展帧中的ID位用作数据传输来增加一个数据帧中的有效数据量)，如果相应的各节点设置了FIFO数据缓冲，则任一节点的缓冲状态可代表所有节点的缓冲状态，此时上位机只需获取一个节点的数据缓冲信息即可得到所有节点的数据缓冲信息，无需实时检测所有节点的缓冲状态，降低了对上位机的实时性要求和单个节点状态反馈的通信频率。

优选的，所述主节点优先级设置为最高，上位机优先级设置为最低。通过将主节点优先级设置为最高，从而主节点对其余节点的时间同步可以保证优先执行，将上位机优先级设置为最低，优先保证主节点对其余节点的时间同步和各节点的数据反馈，这样在时间同步效率、总线的通信效率和各节点的实时性上得到了较好的平衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明的一个方面，通过设置一个节点为主节点为基准发送同步信息给其余节点进行时间同步，相较于现有技术中通过在上位机运行实时操作***，由上位机在规定时间点准时向各节点发送同步信息，降低了对上位机实时性的要求，进一步保证了上位机的灵活性和运算效率。

2.本发明的一个方面，通过节点时间同步，各节点对上位机的数据反馈采用时间槽分时传输，相较于一般CAN总线的乱序抢占，和1对1的命令-应答模式，该方式很好的保证了总线的通信效率和各节点的实时性。

3.本发明的一个方面，通过采用时间戳信息来进行各节点时间同步，可利用CAN控制器硬件计时器对同步报文帧起始SOF的主节点发送时间及其余节点接收时间进行时间同步对时，相比现有技术在发送和接收程序中读取***时钟的对时方式大大提高了时间同步精度。

4.本发明的一个方面，通过在各节点中设置相同的FIFO数据缓冲规则，降低了上位机与各节点之间的实时数据收发匹配要求，所有节点的同步数据操作更加稳定准确，同时令上位机获得任一节点的数据缓冲信息即可认为是得到了所有节点的数据缓冲信息，无需实时检测所有节点的缓冲状态，从而降低了对单个节点缓冲信息获取的实时性要求，有效降低了单个节点状态反馈的通信频率。

附图说明

图1为现有技术基于上位机的时间同步方案示意图；

图2为本发明基于主节点的时间同步方案示意图；

图3为本发明实施例1的CAN总线控制***结构示意图；

图4为本发明实施例2的节点分时传输通信示意图；

图5为本发明实施例3的上位机指令缓冲方案示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图2所示，本发明的用于时间同步的CAN总线通信方法，将CAN总线上多个节点中的一个设置为主节点，其余节点设置为从节点，从节点以主节点为基准进行时间同步，主节点定时向其余节点发送时间同步信息，其余节点根据主节点发送的时间同步信息来调整各自的本地时间，以达到时间同步。相较于现有技术各节点以上位机发送的时间信息为基准进行时间同步，该同步方式无需上位机参与，降低了对上位机实时性的要求，进一步保证了上位机的灵活性和运算效率。

实施例1：

本实施例是采用本发明通信方法的CAN总线控制***，***结构如图3所示，包括：上位机、多个节点和CAN总线，上位机和节点通过CAN总线相连接。多个节点一般为运行实时操作***的嵌入式***，上位机一般为PC机、笔记本、平板电脑、移动终端等，运行非实时操作***。更具体的在数控、机器人等多轴运动控制***中，多个节点一般为各个轴运行实时操作***的嵌入式控制电路模块，核心电路及***程序基本相同，上位机通过CAN总线向各节点发送控制指令和接收各节点的反馈数据，来实现对节点的功能控制和状态检测。本实施例在CAN总线通信过程中，首先在***中指定某一节点为主节点，由主节点定时向各从节点发送同步信息，各从节点根据主节点的时钟来调整各自的本地时钟，以达到时钟同步的效果。

更具体的，通过主节点向其余节点发送自己的时间戳信息作为绝对或相对的时间基准，其余节点以此为基础进行时间同步。为了更精确的对时，主节点发送的时间戳信息可以为发送报文帧起始SOF时刻的主节点计时器值，其余节点根据接收的该时间戳信息和相对应的接收报文帧起始SOF时刻的本地计时器值来调整各自的本地时间，以达到时间同步。具体的硬件实施可以采用意法半导体STM32系列嵌入式微控制器作为节点控制器，该系列控制器的内置CAN控制器硬件已经具备将报文帧起始SOF时刻的计时器值作为时间戳信息发送以及读取接收报文帧起始SOF时刻的本地计时器值的功能，也可采用基于FPGA等可编程逻辑器件的CAN控制器软核来实现相应功能，这属于本领域的现有技术，在此不做赘述。

实施例2：

本实施例在实施例1的***基础上，各节点采用分时传输方式。所有节点在时间上同步以后，上位机和节点间便可以收发数据，当节点接收到上位机发送的数据后，需要将自己接受数据的状态反馈给上位机，由于状态反馈只能点对点传输，为了保证各个节点都能在接收到数据之后都能及时反馈自己的状态给上位机，节点对上位机的状态反馈采用时间槽分时传输。如图4所示，各节点在接收到上位机发送的数据后，依序在规定的时间使用总线进行状态反馈，各节点使用总线的时间点连续但不交叉，从而保证各个优先级的节点能够平等的获得总线的使用权，使各节点的信息都能够顺利及时的发送。相较于一般CAN总线的乱序抢占，和1对1的命令-应答模式，该方式很好的保证了总线的通信效率和各节点的实时性。优先级设置一般为上位机最低，主节点最高，其余节点按需设置，从而优先保证主节点的时间同步任务和第一数据反馈，其余节点以主节点为基准进行时间同步及后续按序数据反馈等。

具体的对于运动控制***，经常是多个控制周期连续执行，每个控制周期都要执行上位机发送数据，例如位置命令等，下位各节点依次反馈状态数据。上位机可以根据自己的***时钟来安排控制周期不与主节点时间同步，也可进一步的以主节点为基准进行精确时间同步，采用与其余节点相同的同步方式即可。

根据实际情况，当无需所有节点每个控制周期都反馈数据或者节点反馈的实时性要求不高时，可以采用在连续的多个周期里按照次序依次反馈的方式，例如8个节点，每个周期2个节点反馈，4个周期完成一轮反馈，这样可以进一步缩短控制周期或者减少总线占用，增加控制灵活性。

为了提高通信效率，上位机向各节点发送的数据可为广播式打包发送，打包数据中包括所有节点所需的数据，各节点统一接收打包数据后取出各自对应的数据。相比现有技术1对1的命令-应答方式可进一步提高通信效率，对各节点接收数据的时刻也进行了同步，如果节点数量不多、数据较少时更可以打包到一个数据帧中进一步提高通信效率和实时性，具体的还可将CAN数据帧的标准帧或扩展帧中的ID位用作数据传输来增加一个数据帧中的有效数据量，例如标准帧格式数据帧中有11位ID，扩展帧格式数据帧中有29位数据帧，假设有8个节点，3位或4位ID用做地址ID识别，其余的ID位可用于实际数据传输。还可以通过上位机采用扩展帧，下位各节点采用标准帧的方式来予以区分上位机及节点，这时上位机的数据帧可无需ID位作为地址识别，从而可将CAN数据帧中最大数据位64位+29位ID＝93位作为有效数据位进行数据通信传输，多个上位机时采用少量的ID位进行识别即可。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上，上位机通过指令缓冲来降低对实时性的要求。如图5所示，在节点中按照FIFO的模式缓冲四条指令，节点依序运行缓冲的指令的同时，上位机可以通过检测节点指令缓冲区是否溢出作为缓冲区的缓冲状态，当缓冲区溢出时，上位机停止发送指令，当检测到缓冲区有空位时，上位机继续发送指令。另外各节点的缓冲规则相同，当采用上位机打包所有节点数据统一发送时，任一节点的缓冲状态就代表了所有节点的缓冲状态，这时从逻辑上，各节点可以视为一个节点，单个节点反馈的信息代表了整个节点群的位置命令缓冲信息。因此，上位机获得任一节点的位置命令缓冲信息即可认为是得到了所有节点的位置命令缓冲信息，而无需实时检测所有节点的缓冲状态，从而降低了对单个节点缓冲信息获取的实时性要求，有效降低了单个节点状态反馈的通信频率。

例如当CAN波特率500Kbps时，节点对上位机的位置指令缓冲状态反馈至少为1个字节需要8位数据，因此一次反馈CAN通信数据帧至少要44+8＝52位，耗时104微秒，如果有6个节点(例如六轴***)需要反馈通信则至少需要624微秒，而采用本发明的机制，只需要一次通信，即104微秒即可。

更进一步的，上位机可以随时终止和改变将要发送的指令，例如节点缓冲数据的同时解析指令，根据指令的种类决定是压入缓冲区还是立即执行，如果是位置指令这种按照连续的控制周期顺序执行的则放入缓冲区，待到指定的控制周期进行时间同步执行，如果是取消、暂停、终止运动等命令则立即响应执行而不考虑缓冲区的已存指令，这样节点能够快速响应上位机的改变，无需担心缓冲指令过多，而造成节点失控。

Claims (10)

1.一种用于时间同步的CAN总线通信方法，所述CAN总线上包括至少两个节点，其特征在于，设置一个节点为主节点，其余节点以主节点为基准进行时间同步。

2.根据权利要求1所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，所述主节点定时向其余节点发送时间同步信息，其余节点根据主节点发送的时间同步信息来调整各自的本地时间，以达到时间同步。

3.根据权利要求2所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，所述主节点定时向其余节点发送时间同步信息包括发送时间戳信息。

4.根据权利要求3所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，所述主节点发送的时间戳信息为发送报文帧起始SOF时刻的主节点计时器值，其余节点根据接收的该时间戳信息和相对应的接收报文帧起始SOF时刻的本地计时器值来调整各自的本地时间，以达到时间同步。

5.根据权利要求1-4任一所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，所述CAN总线上还包括至少一个上位机，所有节点在完成时间同步后，所述上位机向各节点发送数据，各节点按照优先级次序采用分时传输方式对上位机进行数据反馈。

6.根据权利要求5所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，所述分时传输方式是根据各节点数据传输所需时长和优先级次序进行通信时间分配，各节点依次在分配的时间进行数据传输。

7.根据权利要求5所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，各节点按照相同的FIFO模式缓冲上位机发送的数据，各节点按照FIFO次序取出相应数据，所有节点对取出的相应数据在时间上进行同步操作。

8.根据权利要求7所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，各节点对上位机的反馈数据包括各自的FIFO缓冲状态。

9.根据权利要求6-8任一所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，所述上位机向各节点发送的数据为广播式打包发送，打包数据中包括所有节点所需的数据，各节点统一接收打包数据后取出各自对应的数据。

10.根据权利要求5所述的用于时间同步的CAN总线通信方法，其特征在于，所述主节点优先级设置为最高，上位机优先级设置为最低。