對TTCAN的分析
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關(guān)鍵詞 CAN TTCAN 時(shí)間觸發(fā)協(xié)議 誤碼率
2002年左右國外推出的TTCAN是一種時(shí)間觸發(fā)的通信協(xié)議，在我國電動(dòng)汽車(chē)“863”攻關(guān)項目及地方的科研項目中有許多嘗試，目的是判斷它能否成為新一代汽車(chē)的通信骨干網(wǎng)絡(luò )。在研制中，它們一般規模較小，總線(xiàn)負載較輕，試驗環(huán)境并不十分惡劣，對誤碼造成的丟幀不容易發(fā)現，且未經(jīng)長(cháng)期考驗，所以沒(méi)有發(fā)現什么問(wèn)題；但對于大量生產(chǎn)的汽車(chē)，必須全面認識TTCAN的優(yōu)劣，以及汽車(chē)控制用總線(xiàn)的技術(shù)走向，才能避免采用新技術(shù)帶來(lái)的技術(shù)與經(jīng)濟風(fēng)險。本文試圖從可靠性與經(jīng)濟性角度對TTCAN作些分析，供大家決策時(shí)參考。
1 TTCAN興起的推動(dòng)力量
TTCAN是在CAN的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種高層協(xié)議，它的出現是為解決CAN應用中遇到的瓶頸而作的一種試探。
現在，TTCAN已被采納為國際標準ISO118984；但在工業(yè)上也只是試驗性的應用，沒(méi)有見(jiàn)到大規模的采用。雖然如此，對它興起的原因進(jìn)行分析仍然會(huì )對我們有很大的啟發(fā)，正是這些需求構成了評價(jià)一種新技術(shù)優(yōu)劣的依據。CAN是最成功的一種現場(chǎng)總線(xiàn)，在今天依然是應用的主力，經(jīng)過(guò)近20年的實(shí)踐，對它的局限也有了較多的認識[1]。這里不重復其中總結的內容，僅從應用的角度來(lái)說(shuō)明CAN所面臨的問(wèn)題。
1.1 為滿(mǎn)足時(shí)限要求不得不降低總線(xiàn)利用率
CAN是事件觸發(fā)協(xié)議，當許多消息同時(shí)要求發(fā)送時(shí)，競爭結果使低優(yōu)先級消息發(fā)送的時(shí)間推后很多，甚至不能滿(mǎn)足其時(shí)限的要求。
現以一個(gè)SAE benchmark為例[1]。該例有5條5 ms周期的消息，其幀長(cháng)含1B、2B、1B、2B和4B數據，其余為50、100和1 000 ms的消息。在參考文獻[1]中，消息可能的最大長(cháng)度計算小了，但即便這樣，對于5 ms周期的消息在125、250、500 kbps和1 Mbps的總線(xiàn)速率下，最大響應時(shí)間為4.456、2.228、1.114、0.557 ms。由于這些消息都置于較高優(yōu)先級，它們只可能被一個(gè)低優(yōu)先級4B數據消息阻斷1次。我們可以只算這幾條消息而估計相應總線(xiàn)的通信負載為75 kbps，對應的總線(xiàn)利用率為60%、30%、15%和7.5%。
現在看看最大響應時(shí)間對于應用意味著(zhù)什么：一個(gè)閉環(huán)控制系統以5 ms為采樣控制周期，在最壞響應時(shí)間為4.456 ms時(shí)，執行器產(chǎn)生的反饋控制效果在下一次采樣前維持的時(shí)間最壞為5-4.456=0.55 ms，最長(cháng)為5 ms。顯然在這種變動(dòng)巨大的情況下，控制參數只能取得比較保守，例如微分和積分增益不能太強。這就極大地限制了控制品質(zhì)的提高。有些控制算法對這種純遲后的變化更為敏感，例如smith預估，因此為了保證品質(zhì)，只能取較低的總線(xiàn)利用率。對于以品質(zhì)為第一的整車(chē)廠(chǎng)，這是唯一的選擇，而取較低的總線(xiàn)利用率意味著(zhù)成本的提高。
1.2 汽車(chē)廠(chǎng)是對成本非常敏感的企業(yè)
如果總線(xiàn)利用率只有20%~30%，隨著(zhù)安全、節能與舒適性要求的提高，要增加更多消息而不希望增加成本。1條總線(xiàn)不夠，在技術(shù)上可再加，或者是連接2個(gè)ECU的專(zhuān)用總線(xiàn)，或者是連多個(gè)ECU的附加總線(xiàn)。要在2條CAN總線(xiàn)中加網(wǎng)橋，不要說(shuō)復雜性的增加，成本的增加就很大。以一個(gè)網(wǎng)橋200元算，年產(chǎn)20萬(wàn)臺車(chē)的廠(chǎng)家要增加4 000萬(wàn)元成本。如果把總線(xiàn)利用率提高到60%，這錢(qián)就省下來(lái)了。
1.3 CAN的開(kāi)發(fā)與應用成本較高
為了使低優(yōu)先級消息發(fā)送時(shí)間減少，不得不修改消息的優(yōu)先級分配，這種變化增加了維修、管理的成本。由于系統中消息量與種類(lèi)的變化，消息的送達時(shí)間會(huì )變化，又增加了認證和驗證的工作量和成本。在開(kāi)發(fā)新功能方面，也受到消息優(yōu)先級設置上的相互影響，不易單獨推進(jìn)。
1.4 CAN達不到線(xiàn)控技術(shù)的要求
線(xiàn)控技術(shù)可能簡(jiǎn)化汽車(chē)的結構、降低成本、提高控制能力，是一個(gè)重要發(fā)展的方向。但要達到與原來(lái)機械—液壓系統同樣的可靠性，需要通信系統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(jìn)。當然，新的協(xié)議不能在性能上比CAN還差。
通過(guò)時(shí)間觸發(fā)協(xié)議，使消息在調度好的時(shí)間片內發(fā)送，可以消除總線(xiàn)的爭用，消息傳送的確定性得到了保證，總線(xiàn)的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周期性質(zhì)，需要提供合理的帶寬與時(shí)隙分布。TTCAN就在這種背景下出現了。幾乎同時(shí)出現的還有其他時(shí)間觸發(fā)協(xié)議，早一點(diǎn)的有TTP/C,晚一點(diǎn)的有FTTCAN、FlexRay等。它們都是在特定時(shí)隙指定周期性消息或事件消息的傳送，細節上雖有區別，但沒(méi)有根本的區別。與其他協(xié)議比較，TTCAN的優(yōu)點(diǎn)是它用現有的CAN芯片就可以實(shí)現，因此價(jià)格便宜。這些經(jīng)濟上的考慮是TTCAN出現的直接推動(dòng)力量。
2 TTCAN的簡(jiǎn)要內容
參考文獻[2]有TTCAN的詳細介紹。它的作者是TTCAN技術(shù)專(zhuān)利發(fā)明人、標準起草人。這里僅將它的幾個(gè)要點(diǎn)摘出：
?、?TTCAN用System Matrix組織時(shí)間片。它相當于一個(gè)大周期，一個(gè)System Matrix里又分為2n個(gè)Cycle。在每個(gè)Cycle開(kāi)始處，由時(shí)間上的Master節點(diǎn)發(fā)Reference消息，時(shí)間上的從節點(diǎn)對Reference進(jìn)行同步,這樣就建立了全局時(shí)鐘。
?、?Cycle里可以劃分為若干長(cháng)度不同的Slot（時(shí)隙），但每個(gè)Cycle的Slot劃分是一樣的。
?、?Slot的用途有3種：Exclusive Window(獨占窗)、Arbitration Window（仲裁窗）和 Free Window（空窗）。Exclusive Window用于周期性消息發(fā)送，Arbitration Window用于事件消息的爭用，Free Window用來(lái)備用。
?、?禁止消息跨窗口的發(fā)送，只有相連續的Arbitration Window除外。為此，禁止CAN的出錯自動(dòng)重發(fā)功能。在A(yíng)rbitration Window內爭用的消息要先判斷能否發(fā)完，如能發(fā)完，才可參加爭用。
?、?Slot用途的指定是由調度器來(lái)實(shí)現的，它不是標準的內容，然而事件消息在A(yíng)rbitration Window的爭用并不是嚴格意義上的隨到隨爭用。按參考文獻[2]的想法，事件消息是偶發(fā)消息，應用程序可以預先安排幾個(gè)偶發(fā)消息到一個(gè)Arbitration Window，再任它們爭用。
?、?在一個(gè)Cycle里，Slot的用途不受約束。
3 TTCAN的缺點(diǎn)與問(wèn)題
（1） TTCAN與CAN是不兼容的
TTCAN要求獨占窗，因此它不能和CAN混合使用在一個(gè)系統中。帶CAN通信口的ECU不受TTCAN的約束，可在任意時(shí)刻發(fā)送，就有可能在總線(xiàn)空閑時(shí)爭得發(fā)送權，使TTCAN的調度發(fā)送完全失效。汽車(chē)廠(chǎng)在采用TTCAN時(shí)必須將所有要用到的ECU都改為用TTCAN的方式，這就要重新認證和驗證所有的ECU，涉及大的工作量和投資。如果用網(wǎng)關(guān)將CAN的ECU過(guò)渡到TTCAN網(wǎng)，其成本的增加更大，只具有實(shí)驗意義。
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