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，在我國電動汽車“863”攻關(guān)項(xiàng)目及地方的科研項(xiàng)目中有許多嘗試，目的是判斷它能否成為新一代汽車的通信骨干網(wǎng)絡(luò)。在研制中，它們一般規(guī)模較小，總線負(fù)載較輕，試驗(yàn)環(huán)境并不十分惡劣，對誤碼造成的丟幀不容易發(fā)現(xiàn)，且未經(jīng)長期考驗(yàn)，所以沒有發(fā)現(xiàn)什么問題；但對于大量生產(chǎn)的汽車，必須全面認(rèn)識TTCAN的優(yōu)劣，以及汽車控制用總線的技術(shù)走向，才能避免采用新技術(shù)帶來的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。本文試圖從可靠性與經(jīng)濟(jì)性角度對TTCAN作些分析，供大家決策時(shí)參考。
1 TTCAN興起的推動力量
TTCAN是在CAN的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高層協(xié)議，它的出現(xiàn)是為解決CAN應(yīng)用中遇到的瓶頸而作的一種試探。
現(xiàn)在，TTCAN已被采納為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO118984；但在工業(yè)上也只是試驗(yàn)性的應(yīng)用，沒有見到大規(guī)模的采用。雖然如此，對它興起的原因進(jìn)行分析仍然會對我們有很大的啟發(fā)，正是這些需求構(gòu)成了評價(jià)一種新技術(shù)優(yōu)劣的依據(jù)。CAN是最成功的一種現(xiàn)場總線，在今天依然是應(yīng)用的主力，經(jīng)過近20年的實(shí)踐，對它的局限也有了較多的認(rèn)識[1]。這里不重復(fù)其中總結(jié)的內(nèi)容，僅從應(yīng)用的角度來說明CAN所面臨的問題。
1.1 為滿足時(shí)限要求不得不降低總線利用率
CAN是事件觸發(fā)協(xié)議，當(dāng)許多消息同時(shí)要求發(fā)送時(shí)，競爭結(jié)果使低優(yōu)先級消息發(fā)送的時(shí)間推后很多，甚至不能滿足其時(shí)限的要求。
現(xiàn)以一個(gè)SAE benchmark為例[1]。該例有5條5 ms周期的消息，其幀長含1B、2B、1B、2B和4B數(shù)據(jù)，其余為50、100和1 000 ms的消息。在參考文獻(xiàn)[1]中，消息可能的最大長度計(jì)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的總線速率下，最大響應(yīng)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(shù)據(jù)消息阻斷1次。我們可以只算這幾條消息而估計(jì)相應(yīng)總線的通信負(fù)載為75 kbps，對應(yīng)的總線利用率為60%、30%、15%和7.5%。
現(xiàn)在看看最大響應(yīng)時(shí)間對于應(yīng)用意味著什么：一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)以5 ms為采樣控制周期，在最壞響應(yīng)時(shí)間為4.456 ms時(shí)，執(zhí)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，最長為5 ms。顯然在這種變動巨大的情況下，控制參數(shù)只能取得比較保守，例如微分和積分增益不能太強(qiáng)。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(yù)估，因此為了保證品質(zhì)，只能取較低的總線利用率。對于以品質(zhì)為第一的整車廠，這是唯一的選擇，而取較低的總線利用率意味著成本的提高。
1.2 汽車廠是對成本非常敏感的企業(yè)
如果總線利用率只有20%~30%，隨著安全、節(jié)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條總線不夠，在技術(shù)上可再加，或者是連接2個(gè)ECU的專用總線，或者是連多個(gè)ECU的附加總線。要在2條CAN總線中加網(wǎng)橋，不要說復(fù)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)20萬臺車的廠家要增加4 000萬元成本。如果把總線利用率提高到60%，這錢就省下來了。
1.3 CAN的開發(fā)與應(yīng)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(tǒng)中消息量與種類的變化，消息的送達(dá)時(shí)間會變化，又增加了認(rèn)證和驗(yàn)證的工作量和成本。在開發(fā)新功能方面，也受到消息優(yōu)先級設(shè)置上的相互影響，不易單獨(dú)推進(jìn)。
1.4 CAN達(dá)不到線控技術(shù)的要求
線控技術(shù)可能簡化汽車的結(jié)構(gòu)、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(dá)到與原來機(jī)械—液壓系統(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(dá)不到這一確定性要求，所以要改進(jìn)。當(dāng)然，新的協(xié)議不能在性能上比CAN還差。
通過時(shí)間觸發(fā)協(xié)議，使消息在調(diào)度好的時(shí)間片內(nèi)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，總線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(xiàn)了。幾乎同時(shí)出現(xiàn)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(xì)節(jié)上雖有區(qū)別，但沒有根本的區(qū)別。與其他協(xié)議比較，TTCAN的優(yōu)點(diǎn)是它用現(xiàn)有的CAN芯片就可以實(shí)現(xiàn)，因此價(jià)格便宜。這些經(jīng)濟(jì)上的考慮是TTCAN出現(xiàn)的直接推動力量。
2 TTCAN的簡要內(nèi)容
參考文獻(xiàn)[2]有TTCAN的詳細(xì)介紹。它的作者是TTCAN技術(shù)專利發(fā)明人、標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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開始處，由時(shí)間上的Master節(jié)點(diǎn)發(fā)Reference消息，時(shí)間上的從節(jié)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(dú)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，F(xiàn)ree Window用來備用。
?、?禁止消息跨窗口的發(fā)送，只有相連續(xù)的Arbitration Window除外。為此，禁止CAN的出錯自動重發(fā)功能。在Arbitration Window內(nèi)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(diào)度器來實(shí)現(xiàn)的，它不是標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，然而事件消息在Arbitration Window的爭用并不是嚴(yán)格意義上的隨到隨爭用。按參考文獻(xiàn)[2]的想法，事件消息是偶發(fā)消息，應(yīng)用程序可以預(yù)先安排幾個(gè)偶發(fā)消息到一個(gè)Arbitration Window，再任它們爭用。
⑥ 在一個(gè)Cycle里，Slot的用途不受約束。
3 TTCAN的缺點(diǎn)與問題
（1） TTCAN與CAN是不兼容的
TTCAN要求獨(dú)占窗，因此它不能和CAN混合使用在一個(gè)系統(tǒng)中。帶CAN通信口的ECU不受TTCAN的約束，可在任意時(shí)刻發(fā)送，就有可能在總線空閑時(shí)爭得發(fā)送權(quán)，使TTCAN的調(diào)度發(fā)送完全失效。汽車廠在采用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(rèn)證和驗(yàn)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過渡到TTCAN網(wǎng)，其成本的增加更大，只具有實(shí)驗(yàn)意義。
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