对TTCAN的分析

INDUSTRYFORUM业界论坛]院对TTCAN的分析■重庆工业自动化仪表研究所杨福宇TTCAN通过独占窗口的方式解决消息传送的确定性问题,提高总线利用率,试围满足应用发展的要求。摘要但是在恶劣环境的高误码率下,传送的可靠性下降,容错的措施不成熟,成本较高。再考虑TTCAN的其他得失,认为它不是性价比高的CAN技术升级方案。关键词CAN TTCAN 时间触岌协议 误码率2002年左右国外推出的TTCAN是一种时间触发的周期的消息,其帧长含1B、2B、1B、2B和4B数据,其余为通信协议,在我国电动汽车“863”攻关项目及地方的科研50、100和1 00 ms的消息。在参考文献[1]中,消息可能项目中有许多尝试,目的是判断它能否成为新一代汽车的的最大长度计算小了,但即便这样,对于5 ms周期的消息通信骨干网络。在研制中,它们一般规模较小,总线负载在125.250,500kbps和1Mbps的总线速率下,最大响应较轻,试验环境并不+分恶劣,对误码造成的丢帧不容易时间为 4. 456.2. 228.1. 114、0.557 ms.由于这些消息都发现,且未经长期考验,所以没有发现什么问题;但对于大置于较高优先级,它们只可能被-一个低优先级4B数据消量生产的汽车,必须全面认识TTCAN的优劣,以及汽车息阻断1次。我们可以只算这几条消息而估计相应总线控制用总线的技术走向,才能避免采用新技术带来的技术的通 信负载为75 kbps,对应的总线利用率为60%、30%、与经济风险。本文试图从可靠性与经济性角度对15%和7.5%。TTCAN作些分析,供大家决策时参考。现在看看最大响应时间对于应用意味着什么:一个闭环控制系统以5 ms为采样控制周期,在最坏响应时间为1TTCAN兴起的推动力量4. 456 ms时,执行器产生的反馈控制效果在下一次采样前TTCAN是在CAN的基础上发展起来的一种高层协维持的时间最坏为5-4.456=0. 55 ms,最长为5 ms。显议,它的出现是为解央CAN应用中遇到的瓶颈而作的一然在这种变动巨大的情况下,控制参数只能取得比较保种试探。.守,例如微分和积分增益不能太强。这就极大地限制了控.现在,TTCAN已被采纳为国际标准ISO11898-4;但制品质的提高。有些控制算法对这种纯迟后的变化更为在工业上也只是试验性的应用,没有见到大规模的采用。敏感,例如smith预估,因此为了保证品质,只能取较低的虽然如此,对它兴起的原因进行分析仍然会对我们有很大总线利用率。对于以品质为第一-的整车厂,这是唯一的选.的启发,正是这些需求构成了评价一种新技术优劣的依择,而取较低的总线利用率意味着成本的提高.据。CAN是最成功的一种现场总线,在今天依然是应用1.2汽车厂是对成本非常敏感的企业的主力,经过近20年的实践,对它的局限也有了较多的认如果总线利用率只有20%~30%,随着安全、节能与识”。这里不重复其中总结的内容,仅从应用的角度来说舒适性要求的提高,要增加更多消息而不希望增加成本。明CAN所面临的问题。.1条总线不够,在技术上可再加,或者是连接2个ECU的1.1 为满足时限要求不得不降低总线利用率专用总线,或者是连多个ECU的附加总线。要在2条CAN是事件触发协议,当许多消息同时要求发送时,CAN，中国煤化士增加,成本的增加就竞争结果使低优先级消息发送的时间推后很多,甚至不能很大。万台车的厂家要增满足其时限的要求。加400:TYHCNMHC年提高到60%,这钱现以一个SAE benchmark为例”。该例有5条5 ms就省下来了。paper@ mesnet. com. cn(投稿专用)Mircotollers & Embedded Sysems 5.优[业界论坛INDUSTRY FORUM1.3CAN的开发与应用成本较高发完,如能发完,才可参加争用。为了使低优先级消息发送时间减少,不得不修改消息⑤Slot用途的指定是由调度器来实现的，它不是标的优先级分配,这种变化增加了维修、管理的成本。由于准的内容,然而事件消息在Arbitration Window的争用并系统中消息量与种类的变化,消息的送达时间会变化,又不是严 格意义上的随到随争用。按参考文献[2]的想法，增加了认证和验证的工作量和成本。在开发新功能方面，事件消息是偶发消息,应用程序可以预先安排几个偶发消也受到消息优先级设置上的相互影响,不易单独推进。息到一个Arbitration Window,再任它们争用。1.4 CAN达不到线控技术的要求⑥在一个Cycle里,Slot的用途不受约束。线控技术可能简化汽车的结构、降低成本.提高控制3 TTCAN的缺点与问题能力,是-一个重要发展的方向。但要达到与原来机械-液(1) TTCAN与CAN是不兼容的压系统同样的可靠性,需要通信系统有更高的确定性与冗余度。CAN达不到这一-确定性要求,所以要改进。当然，TTCAN要求独占窗,因此它不能和CAN混合使用在一个系统中。带CAN通信口的ECU不受TTCAN的新的协议不能在性能上比CAN还差。通过时间触发协议，使消息在调度好的时间片内发约束，可在任意时刻发送,就有可能在 总线空闲时争得发送,可以消除总线的争用,消息传送的确定性得到了保证，送权,使TTCAN的调度发送完全失效。汽车厂在采用总线的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周TTCAN时必须将所有要用到的ECU都改为用TTCAN .期性质,需要提供合理的带竟与时腺分布。TTCAN就在的方式,这就要重新认证和验证所有的ECU,涉及大的工这种背景下出现了。几乎同时出现的还有其他时间触发作量和投资。如果用网关将CAN的ECU过渡到协议，早一点的有TTP/C，晚一点 的有FTTCAN,TTCAN网,其成本的增加更大,只具有实验意义。FlexRay等。它们都是在特定时腺指定周期性消息或事(2) TCAN在恶劣环境下误帧太多件消息的传送,细节上虽有区别,但没有根本的区别。与参考文献[3]中，用实验方法得到CAN在恶劣环境其他协议比较,TTCAN的优点是它用现有的CAN芯片下的误码率为2.6X 10~'. 据文章作者认为,这是较为保就可以实现，因此价格便宜。这些经济上的考虑是守的估计,实际情况要好些。为了考察这个数据的有效TTCAN出现的直接推动力量.性,我与该文作者进行了沟通,得到更为详细的资料,见参考文献[4].根据这些资料,可以认为这个数据是一-个与2 TTCAN 的简要内容汽车现场接近的数据,不能算作保守。其主要理由有:参考文献[2]有TTCAN的详细介绍。它的作者是①实验的原始想法是只测来源于CAN电缆干扰的TTCAN技术专利发明人、标准起草人。这里仅将它的几误码,所以把CAN发送和接收节点放在屏蔽箱内,用二个要点摘出:条电缆传送信号, -条在箱内,一条在箱外,通过比较从:①TTCAN用System Mtrix组织时间片。它相当条电缆收到的数据流,计算出误码率。但是将手机放在不于-一个大周期,一个System Matrix里又分为2*个Cycle.带屏蔽不作双绞的通信线上进行另外的实验时,却没有在每个Cycle开始处，由时间上的Master节点发Refer-任何出错,说明来自空间的干扰影响很小。而实际恶劣环ence消息,时间上的从节点对Reference进行同步,这样就境下现场被测试设备的电源与干扰源 的电源并不独立。建立了全局时钟.与此对比,认为出错是通过电源传导的,这与原始设想②Cycle里可以划分为若干长度不同的Slot(时隙)，不同。但每个Cycle的Slot划分是一样的。2实验的恶劣环境是指电焊机工作时的干扰,并无③Slot的用途有3种:Exclusive Window(独占窗)、具体的数量指标,无法与汽车的电源传导干扰相比较Arbitration Window(仲裁窗)和Free Window(空窗)。(IS07637).实际上可能不如汽车电源干扰大。Exclusive Window用于周期性消息发送,Arbitration Win-③在电源传导干扰下,造成误码计数的情形较复杂。dow用于事件消息的争用,Free Window用来备用。它与中国煤化工点状态有关。误码有④禁止消息跨窗口的发送，只有相连续的Arbitra-多算tion Window除外。为此,禁止CAN的出错自动重发功0HC NMH G..’电研孔定入上探下，遇佰关验中干扰源只在部分能.在Arbitration Window内争用的消息要先判断能否时间存在,计算误码率的通信总量多算了。6《年方机每入式系统应用》dv@ meset om ea(广告专用)INDUSTRY FORUM业界论坛]在此推定下,如假设TTCAN的总线利用率为60%，通信速率为500 kbps,按照2.6X10-*的误码率,那么在4小结1小时内会有280. 8个误码(500kX 3600X 60%X2.6X工业应用中可靠性是第一位的要求,出错自动重发是10-1=280. 8),约12.8秒1次。由于TTCAN禁止出错CAN最有价值的部分;而TTCAN禁止出错重发,使它的自动重发,因此会大量丢帧。而对CAN来说,只要在.抗干扰能力大打折扣,在应用上造成困难。在许多时间触12.8 s内重发成功,就不会丢帧。TTCAN 要回避这个问.发协议中纠错的方法都复杂得多,如TTP/C和FlexRay题,就要求更完善的抗干扰措施,这意味着成本的提高。用2个通道传送同样的消息,只要不是2个通道同时出(3)由预留Error Frame帧引起的开销大错,消息就能送达,但是其代价是成本比单通道增加1倍.TTCAN没有禁止Error Frame,由于错误可能出现TTCAN也能构造2个通道,也会面临同样的代价问题;在任何时间，就可能发生在帧的最后处,每一个Slot都要而且2个通道同时出错仍是有概率的,要重发又有时限等预留Error Frame的时间,否则它会阻碍下一个Slot 内消新的问题。因此在抗干扰方面,TTCAN没有给出性价比息的发送,这是很大的开销,使TTCAN远达不到设想的合适的解决方案。现在CAN每年都有数亿的节点产量，100%的总线利用率。假定最小的数据帧为1B数据,长为这说明用户对它的可靠性的认同,而这种可靠性完全来源65位,而Error Frame为20位,那么这项开销达到于CAN在数据链路层实现的出错自动重发功能一一干扰是客观存在的,自动纠错使用户根本感觉不到有错。比23. 5%。较所有的现场总线,纠错的方法要比CAN复杂得多,应(4)Slot用途不同造成时间利用率低由于TTCAN规定调度好的Cycle中的Slot 划分是用就不方便,性价比下降。尽管FlexRay的拓扑结构很-样的,但可能的用途不同。不同的Cycle同一Slot里可多,有星型、总线型等,但设想用于替代CAN的只用1个能安排了长短不一的消息,此时对短帧来说,留下的时间通道的用法,可能会面临TTCAN同样的干扰丢帧问题;.解决出错重发的高层软件并不成熟，也没有标准化,因此就浪费了。目前不会构成对CAN的威胁。(5)事件消息被阻塞的延迟可能性增大在TTCAN中,由于调度结果造成几个连续的Slot都TTCAN与CAN的不兼容,使它在经济上不能充分是独占窗,此时事件消息要等待的时间很长,必须有特别利用CAN的资源,所以它也不是CAN的好的升级方案。%的设计加以处理。(6)网络内的时间同步要求较高参考文献用软件来实现时就得留出时间以容许主从节点间的[1] Tindell K w, Burns A. Guaranteeing message latencies on同步误差,这就又减少了带宽。如用Level2的硬件实Controller Area Network (CAN)[C]. In Proceedings of 1st现,就不可能马上使成本低到与CAN一样。实际上,置International CAN Conference, Pp. 1 - 11, September 1994.TTCAN于-一种新的与CAN无关的总线的地位,要与其[2] Fuhler T,et al. Time Triggered Communication on CAN[C]. Robert Bosch GmbH, Proceedings 7th International他总线作全面的比较,TTCAN就没有其他总线好了。CAN Conference, Amsterdam, Holland, 2000.(7)丢帧处理两难TTCAN在传送出错的情况下,不对本帧进行自动重[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-发。在应用上要有所考虑。或者用比实际需要更多的发shop on Real . Time Networks sattelite held in conjunction送,丢掉就算了的策略,这也会浪费带宽;或者由应用层在with the 16th Euromicro Intl Conference on Real- Time Sys-仲裁窗组织重发,但这相当复杂。如用冗余的第2条总tems, June 2004.线,意味着成本的加倍。[4] Ferreira J. PhD- ijc[ Charpter_4. pdf(8)仲裁窗的要求较难实现[5]杨福字.CAN总线的局限[J].电子设计应用,2006<11);在仲裁窗判断事件消息能否发完,然后控制事件消息32, 34.的发送是不容易实现的。用软件来实时处理来不及,又没有现成的硬件。中国煤化工.现场总线与汽车电子。E-另外,在对付CAN系统中Babblingidiot出错方面,YHCNMHG.(m万改稿日期2008-1-16)TTCAN没有改进。paper@mesnet. com cn(投稿专用)Micotrolrs & Embedded Systems 7