引言

多电机的同步控制在工业领域中的应用已越来越广泛，诸如造纸设备、印刷设备等有着多个分散工作机构的大型设备，对其控制精度的要求越来越高。因此，对多节点的同步性研究有助于从总线角度研究多电机的同步控制，提高其同步精度。

CAN（Controller Area Network）现场总线是由德国Bosch公司推出的一种国际标准化的串行通信协议[1]。目前大多数研究对其实时性关注较多，对同步性多限于理论研究，实际应用较少。鉴于此，将CAN总线广播通信方式以及CAN总线滤波机制成功应用于本系统，结合时间触发协议（TTCAN）的理论知识，基于AT90CAN128单片机，成功完成多节点的同步通信，将节点间的同步时间控制在μs级。

1 多节点同步通信方法

为实现多个节点的同步通信，采用和节点数目相同的位数表示节点，每一位对应一个节点，只要相应位置1，其对应节点就对主节点响应。当多个位置1时，其对应节点将同时响应，由此实现多节点的同步通信。

2 通信协议的制定

AT90CAN128内置CAN总线控制器，提供4个验收码寄存器IDT和4个接收屏蔽寄存器IDM构成验收滤波器[2]，利用这些寄存器进行通信对象的设置。

子节点对主节点的响应有两种方式：①以ID标识符中的一位对应一个节点,通过准确设置验收滤波器参数，对总线上报文仲裁场中29位ID标识符进行识别，标识符中表示节点的相应位置1时，对应节点接收报文并作出响应，实现报文滤波[3]。②将所有节点的验收滤波器设置为屏蔽状态,即屏蔽寄存器IDM均设置为00 00 00 00,对来自总线上的消息报文均接收，以数据场中的一位对应一个节点，当相应位置1时，对应节点响应，实现报文滤波。

为区分两种不同的滤波方式，本文以标识符滤波和数据场滤波分别命名这两种滤波方式。

采用标识符滤波时，总线上子节点的数量将受限于标志场的长度。而在主节点与多节点进行同步通信的过程中，通常为控制指令和命令指令，数据场通常为0字节。此时可进一步利用数据场，采用数据场滤波方式。数据场滤波的好处是：①对所有节点,无需专门配置接收屏蔽寄存器,统一设置成屏蔽状态;②由于数据场最多可为8个字节，每个字节均可用来表示8个节点。因此，在满足总线物理特性的情况下，增加了总线上子节点的数量。但是，数据字节的增加对实时性有一定影响。

3 硬件设计

本系统节点电路主要由AVR单片机AT90CAN128和高速收发器CTM1050T构成。系统硬件电路图如图1所示。

图1 硬件电路图

AT90CAN128单片机负责上层应用与系统控制，执行完整的CAN总线协议，采用16 MHz时钟，其内部的时钟分频寄存器CLKPR可用于时钟分频。

CTM1050T是一款高速隔离CAN收发器芯片，其隔离电压可达DC 2500 V；电磁辐射EME极低；电磁抗干扰性EMI极高。 因此，无需外加光耦、DC/DC 隔离、CAN 收发器等其他元器件便可直接使用,接口简单，使用方便。

4 软件设计

为提高多个节点接收消息的同步性，以TTCAN协议的时间触发机制为理论支撑，发送触发帧让所有子节点同时进行定时，同步所有子节点。同步过程如图2所示。

AT90CAN128是整个系统的核心，其基本流程图如图3所示。

图2 子节点同步过程

5 实验过程及结论

对同步性进行验证的过程，首先应发送触发帧进行同步定时，同步触发帧如表1所列（8个节点同步定时）。

表1 同步触发帧

图3 AT90CAN128流程图

在上文两种滤波方式下，发送如表2所列的报文进行实验，对本文设计的CAN总线节点间的同步性进行验证，每帧发送20次。

表2 发送的报文数据帧

5.1 实现基本通信

上位机模拟主节点进行报文的发送和接收，上位机发送报文，节点2、3、4接收到报文返回数据给上位机，上位机显示的通讯结果如表3所列（以数据场滤波为例）。

表3 上位机显示

5.2 相同节点数不同滤波方式同步性

选用2、3、4号子节点，主节点发送报文，子节点接收到符合自身要求的报文，引脚置1。节点滤波器根据AT90CAN128内CAN总线转换控制器的特点以及上位机和节点间所使用的USBCAN转换器的对应关系进行设置，本文选用吉阳光电的USBCAN200GY8508进行转换，对节点中AT90CAN128中滤波器的设置如表4所列。

表4 滤波器设置

对标识符滤波方式，当发送报文的ID为 0x00 01 00 0E时,对节点进行同步定时。ID为0x00 02 00 0E时，节点接收报文并相应引脚置1。对数据场滤波方式，发送报文的ID为0x 00 24 00 01,数据场为B1 0E ## ## ## ## ## ## 时，节点进行定时，数据场为B2 0E ## ## ## ## ## ## 时，节点接收报文并相应引脚置1。由此对3个节点的同步时间差进行观察，节点之间的最大时间差如图4所示。由图可知，ID标识符滤波方法测得的同步性略高，但两种滤波方式的同步性差别不大，仅有20 ns左右的差异，在一般的实际应用中可忽略不计。

图4 不同滤波方式同步性对比

5.3 相同滤波方式不同节点数同步性

在数据场滤波已发送触发帧的情况下，当发送报文ID为0x00 24 00 01,数据场为B2 06 ## ## ## ## ## ## 时，观察节点2、3同步时间差。将其与2、3、4号子节点的同步时间差进行对比，结果如图5所示。由图可知，2个子节点同时接收时的最大时间差分布在270 ns左右，3个子节点同时接收时的最大时间差分布在842 ns左右，同步时间差增加，同步性降低。由此可知，随着节点的增加，同步性将有所降低，节点数目将影响系统中子节点的同步性。

图5 不同节点数同步性对比

结语

由实验可得，采用ID标识符滤波和采用数据场滤波两种方式均能实现多节点的同步通信，对同步性影响不大。但由于ID标识符滤波过程中，数据场为空，因此其实时性将更高，而数据场滤波适用的节点数则更多。两种滤波方式下，节点间的最大同步时间差不超过1 μs，能够满足一般多电机设备的同步性要求。另外，在大型多级设备中，可两种滤波方式配合使用，以最大程度满足系统的实时性、同步性以及节点数目的要求。