基于CAN的双机冗余控制系统精密时钟同步方法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2024040522

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 0, Vol. ›› Issue (): 176-179.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2024040522

基于CAN的双机冗余控制系统精密时钟同步方法

孙晓旭¹^,², 曾俊宝¹(), 徐高朋¹

^1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳 110169
^2.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2024-04-25 修回日期:2024-07-01 接受日期:2024-07-04 发布日期:2025-01-24 出版日期:2024-12-31
通讯作者: 曾俊宝
作者简介:孙晓旭（1993—），男（蒙古族），内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要研究方向：水下机器人控制
曾俊宝（1983—），男，甘肃白银人，研究员，博士生导师，博士，主要研究方向：水下机器人控制
徐高朋（1989—），男，河南周口人，硕士，主要研究方向：水下机器人控制。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(42176194)

Precision clock synchronization method of dual-machine redundant control system based on CAN

Xiaoxu SUN¹^,², Junbao ZENG¹(), Gaopeng XU¹

^1.State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang Liaoning 110169，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2024-04-25 Revised:2024-07-01 Accepted:2024-07-04 Online:2025-01-24 Published:2024-12-31
Contact: Junbao ZENG

摘要/Abstract

摘要：

针对基于控制器局域网（CAN）的自主水下航行器（AUV）双机冗余控制系统既需要达到一定程度的时钟同步，又缺乏可实施IEEE 1588（网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准）的以太网接口的问题，提出一种基于CAN和IEEE 1588原理的精密时钟同步方法。首先，基于IEEE 1588原理编写基于CAN的双机时钟同步软件的核心代码；其次，根据CAN标准帧的数据长度编码交互的关键数据并压缩至8字节；最后，测试基于CAN的双机时钟同步软件的同步性能，并与基于以太网的双机时钟同步软件的同步性能进行对比分析。实际硬件平台上的测试结果表明，使用所提方法的双机冗余控制系统的时钟同步精度可达到并维持在25 μs内，满足本双机冗余控制系统1 ms的同步精度要求。可见，所提方法可有效保障双机冗余控制系统的时钟同步精度。

关键词: 精密时钟同步, 控制器局域网, 双机冗余控制系统, IEEE 1588, 自主水下航行器

Abstract:

The Controller Area Network （CAN） based Autonomous Underwater Vehicle （AUV） dual-machine redundant control system requires a certain degree of clock synchronization， and it lacks an Ethernet interface that implements IEEE 1588 （precision clock synchronization protocol standard for network measurement and control systems）. In view of this problem， a precision clock synchronization method based on CAN and IEEE 1588 principle was proposed. Firstly， the core code of CAN-based clock synchronization software was written on the basis of the principle of IEEE 1588. Then， the key data of interaction were encoded and compressed to 8 bytes based on the data length of CAN standard frame. Finally， the synchronization performance of the CAN-based dual-machine clock synchronization software was tested and compared with that of the Ethernet-based dual-machine clock synchronization software. Test results on actual hardware platforms show that by using the proposed method， the clock synchronization accuracy of dual-machine redundant control system can reach and maintain within 25 μs， satisfying the 1 ms synchronization accuracy requirement of dual-machine redundant control system. It can be seen that the proposed method can guarantee the clock synchronization accuracy of dual-machine redundant control system.

Key words: precision clock synchronization, Controller Area Network (CAN), dual-machine redundant control system, IEEE 1588, Autonomous Underwater Vehicle (AUV)

中图分类号:

TP368.6

孙晓旭, 曾俊宝, 徐高朋. 基于CAN的双机冗余控制系统精密时钟同步方法[J]. 计算机应用, 0, (): 176-179.

Xiaoxu SUN, Junbao ZENG, Gaopeng XU. Precision clock synchronization method of dual-machine redundant control system based on CAN[J]. Journal of Computer Applications, 0, (): 176-179.

图/表 13

图1 E2E机制时钟同步过程

图2 控制系统

图3 时间戳获取位置

图4 MAC模块结构

图5 时钟同步系统硬件组成

图6 时钟同步系统软件架构

图7 时钟同步软件运行流程

图8 未修正时主从时钟偏差

图9 时钟同步系统收敛能力示意图

图10 基于CAN的同步系统修正后的主从时钟偏差

图11 基于纯软件PTP进行修正后的主从时钟偏差

图12 基于硬件辅助PTP进行修正后的主从时钟偏差

表1 各个时钟同步测试结果

时钟同步方法

时钟偏差

平均值/μs

误差

范围/μs

标准

偏差/μs

以太网纯软件IEEE 1588

时钟同步

以太网硬件辅助IEEE 1588

时钟同步

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基于CAN的双机冗余控制系统精密时钟同步方法

Precision clock synchronization method of dual-machine redundant control system based on CAN

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