fu時(shí)間觸發(fā)的CAN 協(xié)議 TTCAN

1、時(shí)間觸發(fā)的CAN協(xié)議TTCAN張洪坤 楊輝 秦貴和葛安林(吉林大學(xué))(綏化師專(zhuān))(吉林大學(xué))摘要：本文綜述了基于時(shí)間觸發(fā)的控制器局域網(wǎng)(TTCAN)的功能特點(diǎn)、工作原理，重點(diǎn)闡述 了 TTCAN的時(shí)間同步方式和定時(shí)原理。文中詳細(xì)地介紹了 TTCAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定時(shí)方式、 全局時(shí)間的計(jì)算方式以及時(shí)間校正和容錯(cuò)處理技術(shù)。敘詞：CAN時(shí)間觸發(fā)通信協(xié)議車(chē)上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Time Triggered Communication CANIn the paper, the principle and the functions of Time Triggered Communication CAN are depi

2、cted. Special attention is paid to the principle of synchroclock. The timing at a node, the calculation of global time, the time correction and time fault tolerance are illustrated in detail.Keywords: CAN, Time triggered communication protocol, In_vehicle network前言標(biāo)準(zhǔn)控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network

3、s)是分布式嵌入系統(tǒng)中使用非常廣泛 的一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，在汽車(chē)領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。但隨著車(chē)輛上電子元件的增多，系統(tǒng)的復(fù) 雜性不斷增加，對(duì)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信的安全性、實(shí)時(shí)性及時(shí)間的可預(yù)測(cè)性等提出了更高的要求。 基于事件觸發(fā)通信的標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議已經(jīng)不能適應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。由于標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議中， 由事件觸發(fā)通信過(guò)程；當(dāng)有幾個(gè)信息在同一個(gè)時(shí)間發(fā)送時(shí)，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交通擁擠現(xiàn)象；這時(shí)， 標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議基于位競(jìng)爭(zhēng)的非破壞性仲裁機(jī)制能夠保證這些信息以?xún)?yōu)先級(jí)的順序發(fā)送，但 一些信息的傳送會(huì)出現(xiàn)較大的延時(shí)。另外，在CAN系統(tǒng)中很難在設(shè)計(jì)階段估計(jì)一個(gè)信息傳 送的延時(shí)特性。在實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中，如車(chē)輛和飛機(jī)的線(xiàn)控系統(tǒng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信

4、調(diào)度必須保 證在任何網(wǎng)絡(luò)流量狀態(tài)下信息能在一個(gè)已知的時(shí)間內(nèi)傳送，標(biāo)準(zhǔn)CAN很難滿(mǎn)足這個(gè)要求。 因此，Bosch在標(biāo)準(zhǔn)CAN的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了支持時(shí)間觸發(fā)的CAN協(xié)議，即TTCAN(Time Triggered CAN)。TTCAN通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)CAN之上增加了一個(gè)高層協(xié)議實(shí)現(xiàn)了時(shí)間觸發(fā)通信功 能。在TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)各節(jié)點(diǎn)同步后，可以在一個(gè)特定的時(shí)間窗口傳送自己的信息，而 不必再去競(jìng)爭(zhēng)總線(xiàn)，避免了總線(xiàn)仲裁失敗，并且可以預(yù)測(cè)傳送延遲時(shí)間。TTCAN與現(xiàn)有的 CAN控制器在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層完全兼容，它使用與標(biāo)準(zhǔn)CAN相同的總線(xiàn)和總線(xiàn)發(fā)送接 收器，現(xiàn)有的CAN控制器可以接收TTCAN網(wǎng)絡(luò)中的任何信息，

5、同樣，TTCAN控制器也可 以在現(xiàn)有的CAN網(wǎng)絡(luò)中工作。TTCAN的基本功能TTCAN是在標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議基礎(chǔ)上建立的一個(gè)高層協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中它完成所有CAN節(jié) 點(diǎn)通信調(diào)度的同步功能，并提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)全局時(shí)間同步機(jī)制；在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)的通 信過(guò)程。在按全局時(shí)間同步后，TTCAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以在一個(gè)特定的時(shí)間窗口傳送自己 的信息，而不必再去競(jìng)爭(zhēng)總線(xiàn)。除通信的同步過(guò)程外，TTCAN節(jié)點(diǎn)按著標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議執(zhí) 行其它通信操作過(guò)程。其基本的同步控制過(guò)程是：網(wǎng)絡(luò)的信息傳送周期性的進(jìn)行；由一個(gè)特 定的節(jié)點(diǎn)周期性的向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布一個(gè)參照時(shí)間值，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)按這個(gè)時(shí)間同步；在一 個(gè)傳送周期中，各個(gè)信息幀在各

6、自的時(shí)間窗中傳送。TTCAN已經(jīng)成為ISO的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即ISO11898-4。它有兩種實(shí)現(xiàn)全局時(shí)間同步的方式， 即所謂方式1(Level 1)和方式2(Level 2)。在方式1中，CAN的時(shí)間觸發(fā)功能通過(guò)一個(gè)稱(chēng) 謂時(shí)間主節(jié)點(diǎn)(Time Master)的節(jié)點(diǎn)發(fā)布一個(gè)參照時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)同步的；在方式2中，TTCAN 還提供一個(gè)全局的系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)，CAN節(jié)點(diǎn)具有連續(xù)的時(shí)間調(diào)節(jié)功能，以保證與全局時(shí)間 的一致。3.參照時(shí)間信息及節(jié)點(diǎn)的定時(shí)要實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)的通信，必須首先實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)活動(dòng)的同步。這需要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有 一個(gè)公共的時(shí)間參照基準(zhǔn)。在TTCAN中，周期性的傳送調(diào)度，通過(guò)時(shí)間主節(jié)點(diǎn)周期性向網(wǎng) 絡(luò)上發(fā)布一

7、個(gè)特殊的CAN信息幀，即參照時(shí)間信息幀(Reference Message)，來(lái)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò) 中，這個(gè)信息幀的出現(xiàn)同時(shí)也標(biāo)志著一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息傳送周期的開(kāi)始，這個(gè)周期的時(shí)間長(zhǎng)度由 本地時(shí)鐘產(chǎn)生。如圖1所示，包括時(shí)間主節(jié)點(diǎn)在內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)在參照時(shí)間信息幀出現(xiàn) 時(shí)就開(kāi)始一個(gè)基于本地時(shí)鐘的計(jì)時(shí)，這個(gè)時(shí)間稱(chēng)謂周期內(nèi)時(shí)間(Cycle Time)。每當(dāng)在網(wǎng)絡(luò) 上有信息發(fā)送或接收時(shí)，信息幀的同步信號(hào)Frame Synchronization就把節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間Local Time鎖存到寄存器Sync Mark中，當(dāng)一個(gè)正確的參照時(shí)間信息出現(xiàn)時(shí)，寄存器Sync Mark 的內(nèi)容被送入寄存器Ref Mark中，寄存

8、器Ref Mark的內(nèi)容就是參照時(shí)間信息出現(xiàn)時(shí)的本地 時(shí)間。這個(gè)值與本地時(shí)間的當(dāng)前值之差就得到Cycle Time。在一個(gè)信息傳送周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)根周期內(nèi)時(shí)間Cycle Time圖1周期內(nèi)時(shí)間計(jì)算幀同步信號(hào).Frame Sync參照時(shí)間幀同步信號(hào)Ref Meg Frame Sync本地時(shí)間(Local Time)寄存器Sync Mark寄存器Ref Mark據(jù)這個(gè)時(shí)間值，按著設(shè)計(jì)時(shí)的配置調(diào)度自己的發(fā)送接收活動(dòng)。TTCAN方式1，參照時(shí)間信息幀有一個(gè)字節(jié)的控制參數(shù)，其余的字節(jié)可以用于數(shù)據(jù)傳送。TTCAN方式2,參照時(shí)間信息幀還包含時(shí)間主節(jié)點(diǎn)的全局時(shí)間值等4個(gè)字節(jié)控制數(shù) 據(jù)，其余的字節(jié)亦可以用于數(shù)據(jù)傳

9、送。4. 基本周期和時(shí)間窗如圖2所示，在兩個(gè)參照時(shí)間信息幀的時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)基本周期(Basic Cycle)。一個(gè) 基本周期從一個(gè)參照時(shí)間信息幀開(kāi)始，包含有多個(gè)不重疊的時(shí)間窗。這些時(shí)間窗由一個(gè)時(shí)標(biāo) (Time Mark)分隔，大小可以不同。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在這些時(shí)間窗中傳送信息，信息的格式 與標(biāo)準(zhǔn)CAN相同。一個(gè)基本周期中，包括專(zhuān)用時(shí)間窗、仲裁時(shí)間窗和自由時(shí)間窗等三種類(lèi) 型的時(shí)間窗。專(zhuān)用時(shí)間窗只用于傳送一個(gè)特定的信息；在仲裁時(shí)間窗信息可以通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)仲裁 獲取總線(xiàn)使用權(quán)，競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)CAN 一樣，設(shè)計(jì)時(shí)可以為一個(gè)仲裁窗安排多個(gè)信息；自 由窗口用于系統(tǒng)擴(kuò)展，它們可以根據(jù)需要配置為專(zhuān)用窗口或仲裁窗口。系統(tǒng)

10、設(shè)計(jì)時(shí)，必須確 定各種信息傳送的時(shí)間窗口。一個(gè)基本周期中，一個(gè)信息可以在多個(gè)窗口傳送，這為信息傳 送的調(diào)度提供了更大的靈活性?；局芷趨⒄諘r(shí)間幀參照時(shí)間幀圖2基本周期5. 系統(tǒng)信息陣在CAN的應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常包含有多個(gè)控制循環(huán)和具有不同周期的信息傳送，這些 應(yīng)用過(guò)程要求不同的信息傳送模式。僅僅使用TTCAN基本周期方式，很難滿(mǎn)足這些應(yīng)用的 要求。因此，TTCAN允許使用多個(gè)基本周期構(gòu)成系統(tǒng)信息陣(System Matrix)的方式提高 信息調(diào)度的靈活性。所謂系統(tǒng)信息陣，就是由幾個(gè)連續(xù)的基本周期構(gòu)成的一個(gè)周期組。如圖 3,這一組周期結(jié)合在一起可以支持多種信息的傳送模式。在一個(gè)信息陣中，基本周期的

11、順 序由其參照時(shí)間信息的幀決定。在一個(gè)TTCAN系統(tǒng)中，所有可能的信息都排入信息陣的某 個(gè)時(shí)間窗中。一個(gè)TTCAN的節(jié)點(diǎn)不必知道整個(gè)信息陣的情況，它只要能夠確認(rèn)應(yīng)在哪一個(gè) 時(shí)間窗發(fā)送信息和是否需要接收的信息已經(jīng)到達(dá)就可以了。節(jié)點(diǎn)通過(guò)時(shí)標(biāo)識(shí)別時(shí)間窗，并根 據(jù)設(shè)計(jì)要求完成在這個(gè)時(shí)間窗中的操作。如圖4,為了識(shí)別一個(gè)時(shí)間窗，節(jié)點(diǎn)的協(xié)議控制器 把網(wǎng)絡(luò)上傳來(lái)的時(shí)標(biāo)與本地計(jì)算的周期內(nèi)時(shí)間比較，當(dāng)兩者對(duì)應(yīng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就可以判定這個(gè)時(shí) 間窗在一個(gè)基本周期中的位置，由此確定出這是哪一個(gè)時(shí)間窗，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。除參照時(shí)間信息監(jiān)測(cè)信號(hào)(Watch Trigger)卜，其它的觸發(fā)信號(hào)都將觸發(fā)某個(gè)CAN節(jié)點(diǎn) 一個(gè)信息的發(fā)送

12、或接收操作。只有當(dāng)參照時(shí)間信息沒(méi)有按時(shí)到達(dá)時(shí)，才會(huì)使參照時(shí)間信息監(jiān) 測(cè)信號(hào)有效，它是參照時(shí)間信息丟失錯(cuò)誤的標(biāo)志，它觸發(fā)相應(yīng)的錯(cuò)誤處理過(guò)程。時(shí)間參照信 息活動(dòng)觸發(fā)信號(hào)(Ref Trigger)由參照時(shí)間信息觸發(fā)，它表示一個(gè)新的基本周期開(kāi)始；這個(gè)信 號(hào)將使節(jié)點(diǎn)內(nèi)時(shí)間計(jì)數(shù)器復(fù)位，并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。周期內(nèi)時(shí)間(Cycle Time)圖4節(jié)點(diǎn)內(nèi)活動(dòng)的調(diào)度6. TTCAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)間單元(NTU)在TTCAN中，基本周期是其實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)通信的基本時(shí)間基準(zhǔn)。這個(gè)時(shí)間和TTCAN 中任何時(shí)間一樣，是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間單元NTU(Network Time Unit)的倍數(shù)?；局芷谝訬TU為 單位。在TTCAN方式1中，NTU

13、基于CAN的標(biāo)稱(chēng)位時(shí)間計(jì)算；在TTCAN方式2中，它 基于一個(gè)物理的計(jì)時(shí)單位。在TTCAN方式2中，為了在整個(gè)系統(tǒng)中建立NTU，每個(gè)節(jié)點(diǎn) 的通信控制器的時(shí)鐘振蕩器必須與NTU建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖5,節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘振蕩器為一個(gè) 分頻器提供時(shí)基，分頻器經(jīng)時(shí)間單元調(diào)節(jié)率TUR(Time Unit Ratio )調(diào)整后的輸出為NTUNTU 經(jīng)過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出得到節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間和系統(tǒng)全局時(shí)間。節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘振蕩器TUR 分頻器NTU計(jì)數(shù)器本地時(shí)間/全局時(shí)間圖5 NTU的產(chǎn)生過(guò)程7.TTCAN方式2中時(shí)間校正與全局時(shí)間在TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送參照時(shí)間信息的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為時(shí)間主節(jié)點(diǎn)(Time Master)，其它 節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為時(shí)

14、間從節(jié)點(diǎn)(Time Slave)。時(shí)間主節(jié)點(diǎn)在參照時(shí)間信息中發(fā)布它用本地時(shí)間標(biāo)注的 參照時(shí)標(biāo)(Ref_Mark)作為網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)間參照值，這個(gè)時(shí)標(biāo)記為Master_Ref_Mark。同時(shí) 所有時(shí)間從節(jié)點(diǎn)在參照時(shí)間幀(由時(shí)間主接點(diǎn)發(fā)送)同步信號(hào)到來(lái)時(shí)記錄自己的參照時(shí)間， 即本地的參照時(shí)標(biāo)Ref_Mark。如圖6所示，當(dāng)時(shí)間從節(jié)點(diǎn)接收到參照時(shí)間信息時(shí)，計(jì)算本 地Ref_Mark與Master_Ref_Mark的差值得到本地時(shí)間誤差Local_Offset。把本地時(shí)間(Local Time)與時(shí)間誤差相加就可以得到全局時(shí)間的一個(gè)估計(jì)值，時(shí)間從節(jié)點(diǎn)把這個(gè)值作為網(wǎng)絡(luò)全 局時(shí)間(Global Time)0

15、通過(guò)這種方式，TTCAN實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間的同步。由于網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)具有不同的時(shí)間漂移，各個(gè)必須不斷對(duì)調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘的速率與全 局時(shí)間一致。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的TUR初值由本地的時(shí)鐘振蕩器決定，是已知的。如圖7，在系統(tǒng) 運(yùn)行中，為了使本地時(shí)鐘趨于時(shí)間主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘速率，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都不斷測(cè)取一個(gè)基本周期的 本地時(shí)間時(shí)間值(當(dāng)前時(shí)標(biāo)減取上次時(shí)標(biāo))，以及這期間的全局時(shí)間值(當(dāng)前時(shí)間主節(jié)點(diǎn)時(shí) 標(biāo)減取上次時(shí)間主節(jié)點(diǎn)時(shí)標(biāo))，然后用這個(gè)值作為新的TUR值，這樣，TUR會(huì)不斷根據(jù)本 地時(shí)鐘的漂移進(jìn)行調(diào)節(jié)，并用TUR調(diào)節(jié)保證本地時(shí)鐘的準(zhǔn)確程度。通過(guò)以上措施，在TTCAN方式2中，網(wǎng)絡(luò)中任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的全局時(shí)間值不會(huì)超過(guò)一 個(gè) NTU

16、o8.TTCAN主時(shí)鐘的容錯(cuò)處理在TTCAN中，時(shí)間主節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步最關(guān)鍵的部分，為了提高網(wǎng)絡(luò)時(shí)間主 節(jié)點(diǎn)的容錯(cuò)能力，TTCAN采用了時(shí)間主節(jié)點(diǎn)冗余技術(shù)。在一個(gè)TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，除了當(dāng)前 時(shí)間主節(jié)點(diǎn)外，還可以設(shè)置幾個(gè)不同級(jí)別的后備時(shí)間主節(jié)點(diǎn)作為后備全局時(shí)鐘發(fā)生器。在后 備時(shí)間主節(jié)點(diǎn)的TTCAN控制器復(fù)位時(shí)后，后備主時(shí)鐘發(fā)生器檢驗(yàn)總線(xiàn)上是否有信息傳送以 及是否有時(shí)間參照信息。如果沒(méi)有，它就發(fā)送一個(gè)帶有它的標(biāo)識(shí)符的參照時(shí)間信息；在 TTCAN方式2中，這個(gè)信息還包含這個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間；這個(gè)時(shí)間將作為網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)間， 這個(gè)節(jié)點(diǎn)被看作網(wǎng)絡(luò)時(shí)間主節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)上有多個(gè)后備時(shí)間主節(jié)點(diǎn)，他們都檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)上

17、參照時(shí) 間信息的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)時(shí)間信息丟失時(shí)，它們都按以上過(guò)程操作，但其發(fā)出的參照時(shí)間信息 優(yōu)先級(jí)高的獲得時(shí)間主節(jié)點(diǎn)的地位，其它的節(jié)點(diǎn)不再發(fā)送時(shí)間參照信息，并按照網(wǎng)絡(luò)上的參 照時(shí)間信息進(jìn)行時(shí)間的同步。當(dāng)一個(gè)時(shí)間后備節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)優(yōu)先級(jí)低于它的參照時(shí)間信息時(shí)，它首先與已有的參照 時(shí)間同步，然后通過(guò)在下一個(gè)主周期開(kāi)始時(shí)發(fā)送自己的參照時(shí)間信息去競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間主節(jié)點(diǎn)地 位。通過(guò)上述機(jī)制，當(dāng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)活動(dòng)主時(shí)鐘故障時(shí)，具有最高優(yōu)先級(jí)的后備時(shí)間 主節(jié)點(diǎn)，將完成發(fā)送參照時(shí)間的功能；同時(shí)保證在沒(méi)有故障時(shí)，系統(tǒng)的工作狀態(tài)是穩(wěn)定的。結(jié)束語(yǔ)為支持TTCAN的開(kāi)發(fā)，一種基于時(shí)間觸發(fā)的控制器局域網(wǎng)模塊TTCAN IP模塊

18、在2002 年推出。TTCAN IP模塊提供了 ISO 11898-4定義的基于時(shí)間觸發(fā)通信的所有特性，可以自 動(dòng)維持周期傳送時(shí)序，不必依靠軟件控制。TTCAN IP模塊的推出促進(jìn)了 TTCAN的使用和 推廣，在對(duì)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信的安全性、實(shí)時(shí)性及時(shí)間的可預(yù)測(cè)性要求越來(lái)越高的今天，相信 TTCAN會(huì)有很好的應(yīng)用前景參考文獻(xiàn)：Bosch. CAN Specification Ver. 2.0”. Sept. 1991.By-Wire Car Turn the Corner”. IEEE Spectrum Online, Oct.2001.Charles J. Murray. Automotive Groups Divide on Road to