INDUSTRYFORUM業(yè)界論壇]院對TTCAN的分析■重慶工業(yè)自動化儀表研究所楊福宇TTCAN通過獨占窗口的方式解決消息傳送的確定性問題,提高總線利用率,試圍滿足應用發(fā)展的要求。摘要但是在惡劣環(huán)境的高誤碼率下,傳送的可靠性下降,容錯的措施不成熟,成本較高。再考慮TTCAN的其他得失,認為它不是性價比高的CAN技術升級方案。關鍵詞CAN TTCAN 時間觸岌協(xié)議 誤碼率2002年左右國外推出的TTCAN是一種時間觸發(fā)的周期的消息,其幀長含1B、2B、1B、2B和4B數(shù)據(jù),其余為通信協(xié)議,在我國電動汽車“863”攻關項目及地方的科研50、100和1 00 ms的消息。在參考文獻[1]中,消息可能項目中有許多嘗試,目的是判斷它能否成為新一代汽車的的最大長度計算小了,但即便這樣,對于5 ms周期的消息通信骨干網(wǎng)絡。在研制中,它們一般規(guī)模較小,總線負載在125.250,500kbps和1Mbps的總線速率下,最大響應較輕,試驗環(huán)境并不+分惡劣,對誤碼造成的丟幀不容易時間為 4. 456.2. 228.1. 114、0.557 ms.由于這些消息都發(fā)現(xiàn),且未經(jīng)長期考驗,所以沒有發(fā)現(xiàn)什么問題;但對于大置于較高優(yōu)先級,它們只可能被-一個低優(yōu)先級4B數(shù)據(jù)消量生產(chǎn)的汽車,必須全面認識TTCAN的優(yōu)劣,以及汽車息阻斷1次。我們可以只算這幾條消息而估計相應總線控制用總線的技術走向,才能避免采用新技術帶來的技術的通 信負載為75 kbps,對應的總線利用率為60%、30%、與經(jīng)濟風險。本文試圖從可靠性與經(jīng)濟性角度對15%和7.5%。TTCAN作些分析,供大家決策時參考?，F(xiàn)在看看最大響應時間對于應用意味著什么:一個閉環(huán)控制系統(tǒng)以5 ms為采樣控制周期,在最壞響應時間為1TTCAN興起的推動力量4. 456 ms時,執(zhí)行器產(chǎn)生的反饋控制效果在下一次采樣前TTCAN是在CAN的基礎上發(fā)展起來的一種高層協(xié)維持的時間最壞為5-4.456=0. 55 ms,最長為5 ms。顯議,它的出現(xiàn)是為解央CAN應用中遇到的瓶頸而作的一然在這種變動巨大的情況下,控制參數(shù)只能取得比較保種試探。.守,例如微分和積分增益不能太強。這就極大地限制了控.現(xiàn)在,TTCAN已被采納為國際標準ISO11898-4;但制品質(zhì)的提高。有些控制算法對這種純遲后的變化更為在工業(yè)上也只是試驗性的應用,沒有見到大規(guī)模的采用。敏感,例如smith預估,因此為了保證品質(zhì),只能取較低的雖然如此,對它興起的原因進行分析仍然會對我們有很大總線利用率。對于以品質(zhì)為第一-的整車廠,這是唯一的選.的啟發(fā),正是這些需求構成了評價一種新技術優(yōu)劣的依擇,而取較低的總線利用率意味著成本的提高.據(jù)。CAN是最成功的一種現(xiàn)場總線,在今天依然是應用1.2汽車廠是對成本非常敏感的企業(yè)的主力,經(jīng)過近20年的實踐,對它的局限也有了較多的認如果總線利用率只有20%~30%,隨著安全、節(jié)能與識”。這里不重復其中總結的內(nèi)容,僅從應用的角度來說舒適性要求的提高,要增加更多消息而不希望增加成本。明CAN所面臨的問題。.1條總線不夠,在技術上可再加,或者是連接2個ECU的1.1 為滿足時限要求不得不降低總線利用率專用總線,或者是連多個ECU的附加總線。要在2條CAN是事件觸發(fā)協(xié)議,當許多消息同時要求發(fā)送時,CAN，中國煤化士增加,成本的增加就競爭結果使低優(yōu)先級消息發(fā)送的時間推后很多,甚至不能很大。萬臺車的廠家要增滿足其時限的要求。加400:TYHCNMHC年提高到60%,這錢現(xiàn)以一個SAE benchmark為例”。該例有5條5 ms就省下來了。paper@ mesnet. com. cn(投稿專用)Mircotollers & Embedded Sysems 5.優(yōu)[業(yè)界論壇INDUSTRY FORUM1.3CAN的開發(fā)與應用成本較高發(fā)完,如能發(fā)完,才可參加爭用。為了使低優(yōu)先級消息發(fā)送時間減少,不得不修改消息⑤Slot用途的指定是由調(diào)度器來實現(xiàn)的，它不是標的優(yōu)先級分配,這種變化增加了維修、管理的成本。由于準的內(nèi)容,然而事件消息在Arbitration Window的爭用并系統(tǒng)中消息量與種類的變化,消息的送達時間會變化,又不是嚴 格意義上的隨到隨爭用。按參考文獻[2]的想法，增加了認證和驗證的工作量和成本。在開發(fā)新功能方面，事件消息是偶發(fā)消息,應用程序可以預先安排幾個偶發(fā)消也受到消息優(yōu)先級設置上的相互影響,不易單獨推進。息到一個Arbitration Window,再任它們爭用。1.4 CAN達不到線控技術的要求⑥在一個Cycle里,Slot的用途不受約束。線控技術可能簡化汽車的結構、降低成本.提高控制3 TTCAN的缺點與問題能力,是-一個重要發(fā)展的方向。但要達到與原來機械-液(1) TTCAN與CAN是不兼容的壓系統(tǒng)同樣的可靠性,需要通信系統(tǒng)有更高的確定性與冗余度。CAN達不到這一-確定性要求,所以要改進。當然，TTCAN要求獨占窗,因此它不能和CAN混合使用在一個系統(tǒng)中。帶CAN通信口的ECU不受TTCAN的新的協(xié)議不能在性能上比CAN還差。通過時間觸發(fā)協(xié)議，使消息在調(diào)度好的時間片內(nèi)發(fā)約束，可在任意時刻發(fā)送,就有可能在 總線空閑時爭得發(fā)送,可以消除總線的爭用,消息傳送的確定性得到了保證，送權,使TTCAN的調(diào)度發(fā)送完全失效。汽車廠在采用總線的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周TTCAN時必須將所有要用到的ECU都改為用TTCAN .期性質(zhì),需要提供合理的帶竟與時腺分布。TTCAN就在的方式,這就要重新認證和驗證所有的ECU,涉及大的工這種背景下出現(xiàn)了。幾乎同時出現(xiàn)的還有其他時間觸發(fā)作量和投資。如果用網(wǎng)關將CAN的ECU過渡到協(xié)議，早一點的有TTP/C，晚一點 的有FTTCAN,TTCAN網(wǎng),其成本的增加更大,只具有實驗意義。FlexRay等。它們都是在特定時腺指定周期性消息或事(2) TCAN在惡劣環(huán)境下誤幀太多件消息的傳送,細節(jié)上雖有區(qū)別,但沒有根本的區(qū)別。與參考文獻[3]中，用實驗方法得到CAN在惡劣環(huán)境其他協(xié)議比較,TTCAN的優(yōu)點是它用現(xiàn)有的CAN芯片下的誤碼率為2.6X 10~'. 據(jù)文章作者認為,這是較為保就可以實現(xiàn)，因此價格便宜。這些經(jīng)濟上的考慮是守的估計,實際情況要好些。為了考察這個數(shù)據(jù)的有效TTCAN出現(xiàn)的直接推動力量.性,我與該文作者進行了溝通,得到更為詳細的資料,見參考文獻[4].根據(jù)這些資料,可以認為這個數(shù)據(jù)是一-個與2 TTCAN 的簡要內(nèi)容汽車現(xiàn)場接近的數(shù)據(jù),不能算作保守。其主要理由有:參考文獻[2]有TTCAN的詳細介紹。它的作者是①實驗的原始想法是只測來源于CAN電纜干擾的TTCAN技術專利發(fā)明人、標準起草人。這里僅將它的幾誤碼,所以把CAN發(fā)送和接收節(jié)點放在屏蔽箱內(nèi),用二個要點摘出:條電纜傳送信號, -條在箱內(nèi),一條在箱外,通過比較從:①TTCAN用System Mtrix組織時間片。它相當條電纜收到的數(shù)據(jù)流,計算出誤碼率。但是將手機放在不于-一個大周期,一個System Matrix里又分為2*個Cycle.帶屏蔽不作雙絞的通信線上進行另外的實驗時,卻沒有在每個Cycle開始處，由時間上的Master節(jié)點發(fā)Refer-任何出錯,說明來自空間的干擾影響很小。而實際惡劣環(huán)ence消息,時間上的從節(jié)點對Reference進行同步,這樣就境下現(xiàn)場被測試設備的電源與干擾源 的電源并不獨立。建立了全局時鐘.與此對比,認為出錯是通過電源傳導的,這與原始設想②Cycle里可以劃分為若干長度不同的Slot(時隙)，不同。但每個Cycle的Slot劃分是一樣的。2實驗的惡劣環(huán)境是指電焊機工作時的干擾,并無③Slot的用途有3種:Exclusive Window(獨占窗)、具體的數(shù)量指標,無法與汽車的電源傳導干擾相比較Arbitration Window(仲裁窗)和Free Window(空窗)。(IS07637).實際上可能不如汽車電源干擾大。Exclusive Window用于周期性消息發(fā)送,Arbitration Win-③在電源傳導干擾下,造成誤碼計數(shù)的情形較復雜。dow用于事件消息的爭用,Free Window用來備用。它與中國煤化工點狀態(tài)有關。誤碼有④禁止消息跨窗口的發(fā)送，只有相連續(xù)的Arbitra-多算tion Window除外。為此,禁止CAN的出錯自動重發(fā)功0HC NMH G..’電研孔定入上探下，遇佰關驗中干擾源只在部分能.在Arbitration Window內(nèi)爭用的消息要先判斷能否時間存在,計算誤碼率的通信總量多算了。6《年方機每入式系統(tǒng)應用》dv@ meset om ea(廣告專用)INDUSTRY FORUM業(yè)界論壇]在此推定下,如假設TTCAN的總線利用率為60%，通信速率為500 kbps,按照2.6X10-*的誤碼率,那么在4小結1小時內(nèi)會有280. 8個誤碼(500kX 3600X 60%X2.6X工業(yè)應用中可靠性是第一位的要求,出錯自動重發(fā)是10-1=280. 8),約12.8秒1次。由于TTCAN禁止出錯CAN最有價值的部分;而TTCAN禁止出錯重發(fā),使它的自動重發(fā),因此會大量丟幀。而對CAN來說,只要在.抗干擾能力大打折扣,在應用上造成困難。在許多時間觸12.8 s內(nèi)重發(fā)成功,就不會丟幀。TTCAN 要回避這個問.發(fā)協(xié)議中糾錯的方法都復雜得多,如TTP/C和FlexRay題,就要求更完善的抗干擾措施,這意味著成本的提高。用2個通道傳送同樣的消息,只要不是2個通道同時出(3)由預留Error Frame幀引起的開銷大錯,消息就能送達,但是其代價是成本比單通道增加1倍.TTCAN沒有禁止Error Frame,由于錯誤可能出現(xiàn)TTCAN也能構造2個通道,也會面臨同樣的代價問題;在任何時間，就可能發(fā)生在幀的最后處,每一個Slot都要而且2個通道同時出錯仍是有概率的,要重發(fā)又有時限等預留Error Frame的時間,否則它會阻礙下一個Slot 內(nèi)消新的問題。因此在抗干擾方面,TTCAN沒有給出性價比息的發(fā)送,這是很大的開銷,使TTCAN遠達不到設想的合適的解決方案?，F(xiàn)在CAN每年都有數(shù)億的節(jié)點產(chǎn)量，100%的總線利用率。假定最小的數(shù)據(jù)幀為1B數(shù)據(jù),長為這說明用戶對它的可靠性的認同,而這種可靠性完全來源65位,而Error Frame為20位,那么這項開銷達到于CAN在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)的出錯自動重發(fā)功能一一干擾是客觀存在的,自動糾錯使用戶根本感覺不到有錯。比23. 5%。較所有的現(xiàn)場總線,糾錯的方法要比CAN復雜得多,應(4)Slot用途不同造成時間利用率低由于TTCAN規(guī)定調(diào)度好的Cycle中的Slot 劃分是用就不方便,性價比下降。盡管FlexRay的拓撲結構很-樣的,但可能的用途不同。不同的Cycle同一Slot里可多,有星型、總線型等,但設想用于替代CAN的只用1個能安排了長短不一的消息,此時對短幀來說,留下的時間通道的用法,可能會面臨TTCAN同樣的干擾丟幀問題;.解決出錯重發(fā)的高層軟件并不成熟，也沒有標準化,因此就浪費了。目前不會構成對CAN的威脅。(5)事件消息被阻塞的延遲可能性增大在TTCAN中,由于調(diào)度結果造成幾個連續(xù)的Slot都TTCAN與CAN的不兼容,使它在經(jīng)濟上不能充分是獨占窗,此時事件消息要等待的時間很長,必須有特別利用CAN的資源,所以它也不是CAN的好的升級方案。%的設計加以處理。(6)網(wǎng)絡內(nèi)的時間同步要求較高參考文獻用軟件來實現(xiàn)時就得留出時間以容許主從節(jié)點間的[1] Tindell K w, Burns A. Guaranteeing message latencies on同步誤差,這就又減少了帶寬。如用Level2的硬件實Controller Area Network (CAN)[C]. In Proceedings of 1st現(xiàn),就不可能馬上使成本低到與CAN一樣。實際上,置International CAN Conference, Pp. 1 - 11, September 1994.TTCAN于-一種新的與CAN無關的總線的地位,要與其[2] Fuhler T,et al. Time Triggered Communication on CAN[C]. Robert Bosch GmbH, Proceedings 7th International他總線作全面的比較,TTCAN就沒有其他總線好了。CAN Conference, Amsterdam, Holland, 2000.(7)丟幀處理兩難TTCAN在傳送出錯的情況下,不對本幀進行自動重[3] Ferreira J,Oliveira A,Fonseca P,et al. An experiment to as-sess bit error rate in CAN[C]. RTN 2004 - 3# Int. Work-發(fā)。在應用上要有所考慮?；蛘哂帽葘嶋H需要更多的發(fā)shop on Real . Time Networks sattelite held in conjunction送,丟掉就算了的策略,這也會浪費帶寬;或者由應用層在with the 16th Euromicro Intl Conference on Real- Time Sys-仲裁窗組織重發(fā),但這相當復雜。如用冗余的第2條總tems, June 2004.線,意味著成本的加倍。[4] Ferreira J. PhD- ijc[ Charpter_4. pdf(8)仲裁窗的要求較難實現(xiàn)[5]楊福字.CAN總線的局限[J].電子設計應用,2006<11);在仲裁窗判斷事件消息能否發(fā)完,然后控制事件消息32, 34.的發(fā)送是不容易實現(xiàn)的。用軟件來實時處理來不及,又沒有現(xiàn)成的硬件。中國煤化工.現(xiàn)場總線與汽車電子。E-另外,在對付CAN系統(tǒng)中Babblingidiot出錯方面,YHCNMHG.(m萬改稿日期2008-1-16)TTCAN沒有改進。paper@mesnet. com cn(投稿專用)Micotrolrs & Embedded Systems 7