fu時間觸發(fā)的CAN 協(xié)議 TTCAN

1、時間觸發(fā)的CAN協(xié)議TTCAN張洪坤 楊輝 秦貴和葛安林(吉林大學)(綏化師專)(吉林大學)摘要：本文綜述了基于時間觸發(fā)的控制器局域網(wǎng)(TTCAN)的功能特點、工作原理，重點闡述 了 TTCAN的時間同步方式和定時原理。文中詳細地介紹了 TTCAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定時方式、 全局時間的計算方式以及時間校正和容錯處理技術(shù)。敘詞：CAN時間觸發(fā)通信協(xié)議車上網(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前言標準控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network

3、s)是分布式嵌入系統(tǒng)中使用非常廣泛 的一個通信標準，在汽車領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。但隨著車輛上電子元件的增多，系統(tǒng)的復(fù) 雜性不斷增加，對汽車網(wǎng)絡(luò)通信的安全性、實時性及時間的可預(yù)測性等提出了更高的要求。 基于事件觸發(fā)通信的標準CAN協(xié)議已經(jīng)不能適應(yīng)這個發(fā)展趨勢。由于標準CAN協(xié)議中， 由事件觸發(fā)通信過程；當有幾個信息在同一個時間發(fā)送時，會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交通擁擠現(xiàn)象；這時， 標準CAN協(xié)議基于位競爭的非破壞性仲裁機制能夠保證這些信息以優(yōu)先級的順序發(fā)送，但 一些信息的傳送會出現(xiàn)較大的延時。另外，在CAN系統(tǒng)中很難在設(shè)計階段估計一個信息傳 送的延時特性。在實時應(yīng)用系統(tǒng)中，如車輛和飛機的線控系統(tǒng)，整個網(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)下信息能在一個已知的時間內(nèi)傳送，標準CAN很難滿足這個要求。 因此，Bosch在標準CAN的基礎(chǔ)上又開發(fā)了支持時間觸發(fā)的CAN協(xié)議，即TTCAN(Time Triggered CAN)。TTCAN通過在標準CAN之上增加了一個高層協(xié)議實現(xiàn)了時間觸發(fā)通信功 能。在TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，當各節(jié)點同步后，可以在一個特定的時間窗口傳送自己的信息，而 不必再去競爭總線，避免了總線仲裁失敗，并且可以預(yù)測傳送延遲時間。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，它使用與標準CAN相同的總線和總線發(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是在標準CAN協(xié)議基礎(chǔ)上建立的一個高層協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中它完成所有CAN節(jié) 點通信調(diào)度的同步功能，并提供一個網(wǎng)絡(luò)全局時間同步機制；在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)時間觸發(fā)的通 信過程。在按全局時間同步后，TTCAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以在一個特定的時間窗口傳送自己 的信息，而不必再去競爭總線。除通信的同步過程外，TTCAN節(jié)點按著標準CAN協(xié)議執(zhí) 行其它通信操作過程。其基本的同步控制過程是：網(wǎng)絡(luò)的信息傳送周期性的進行；由一個特 定的節(jié)點周期性的向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布一個參照時間值，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的活動按這個時間同步；在一 個傳送周期中，各個信息幀在各

6、自的時間窗中傳送。TTCAN已經(jīng)成為ISO的一個標準，即ISO11898-4。它有兩種實現(xiàn)全局時間同步的方式， 即所謂方式1(Level 1)和方式2(Level 2)。在方式1中，CAN的時間觸發(fā)功能通過一個稱 謂時間主節(jié)點(Time Master)的節(jié)點發(fā)布一個參照時間來實現(xiàn)同步的；在方式2中，TTCAN 還提供一個全局的系統(tǒng)時間基準，CAN節(jié)點具有連續(xù)的時間調(diào)節(jié)功能，以保證與全局時間 的一致。3.參照時間信息及節(jié)點的定時要實現(xiàn)時間觸發(fā)的通信，必須首先實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點活動的同步。這需要整個網(wǎng)絡(luò)有 一個公共的時間參照基準。在TTCAN中，周期性的傳送調(diào)度，通過時間主節(jié)點周期性向網(wǎng) 絡(luò)上發(fā)布一

7、個特殊的CAN信息幀，即參照時間信息幀(Reference Message)，來實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò) 中，這個信息幀的出現(xiàn)同時也標志著一個網(wǎng)絡(luò)信息傳送周期的開始，這個周期的時間長度由 本地時鐘產(chǎn)生。如圖1所示，包括時間主節(jié)點在內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點在參照時間信息幀出現(xiàn) 時就開始一個基于本地時鐘的計時，這個時間稱謂周期內(nèi)時間(Cycle Time)。每當在網(wǎng)絡(luò) 上有信息發(fā)送或接收時，信息幀的同步信號Frame Synchronization就把節(jié)點的本地時間Local Time鎖存到寄存器Sync Mark中，當一個正確的參照時間信息出現(xiàn)時，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)容就是參照時間信息出現(xiàn)時的本地 時間。這個值與本地時間的當前值之差就得到Cycle Time。在一個信息傳送周期內(nèi)，節(jié)點根周期內(nèi)時間Cycle Time圖1周期內(nèi)時間計算幀同步信號.Frame Sync參照時間幀同步信號Ref Meg Frame Sync本地時間(Local Time)寄存器Sync Mark寄存器Ref Mark據(jù)這個時間值，按著設(shè)計時的配置調(diào)度自己的發(fā)送接收活動。TTCAN方式1，參照時間信息幀有一個字節(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2,參照時間信息幀還包含時間主節(jié)點的全局時間值等4個字節(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. 基本周期和時間窗如圖2所示，在兩個參照時間信息幀的時間稱為一個基本周期(Basic Cycle)。一個 基本周期從一個參照時間信息幀開始，包含有多個不重疊的時間窗。這些時間窗由一個時標 (Time Mark)分隔，大小可以不同。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在這些時間窗中傳送信息，信息的格式 與標準CAN相同。一個基本周期中，包括專用時間窗、仲裁時間窗和自由時間窗等三種類 型的時間窗。專用時間窗只用于傳送一個特定的信息；在仲裁時間窗信息可以通過競爭仲裁 獲取總線使用權(quán)，競爭機制與標準CAN 一樣，設(shè)計時可以為一個仲裁窗安排多個信息；自 由窗口用于系統(tǒng)擴展，它們可以根據(jù)需要配置為專用窗口或仲裁窗口。系統(tǒng)

10、設(shè)計時，必須確 定各種信息傳送的時間窗口。一個基本周期中，一個信息可以在多個窗口傳送，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間幀參照時間幀圖2基本周期5. 系統(tǒng)信息陣在CAN的應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常包含有多個控制循環(huán)和具有不同周期的信息傳送，這些 應(yīng)用過程要求不同的信息傳送模式。僅僅使用TTCAN基本周期方式，很難滿足這些應(yīng)用的 要求。因此，TTCAN允許使用多個基本周期構(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，就是由幾個連續(xù)的基本周期構(gòu)成的一個周期組。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。在一個信息陣中，基本周期的

11、順 序由其參照時間信息的幀決定。在一個TTCAN系統(tǒng)中，所有可能的信息都排入信息陣的某 個時間窗中。一個TTCAN的節(jié)點不必知道整個信息陣的情況，它只要能夠確認應(yīng)在哪一個 時間窗發(fā)送信息和是否需要接收的信息已經(jīng)到達就可以了。節(jié)點通過時標識別時間窗，并根 據(jù)設(shè)計要求完成在這個時間窗中的操作。如圖4,為了識別一個時間窗，節(jié)點的協(xié)議控制器 把網(wǎng)絡(luò)上傳來的時標與本地計算的周期內(nèi)時間比較，當兩者對應(yīng)時，節(jié)點就可以判定這個時 間窗在一個基本周期中的位置，由此確定出這是哪一個時間窗，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。除參照時間信息監(jiān)測信號(Watch Trigger)卜，其它的觸發(fā)信號都將觸發(fā)某個CAN節(jié)點 一個信息的發(fā)送

12、或接收操作。只有當參照時間信息沒有按時到達時，才會使參照時間信息監(jiān) 測信號有效，它是參照時間信息丟失錯誤的標志，它觸發(fā)相應(yīng)的錯誤處理過程。時間參照信 息活動觸發(fā)信號(Ref Trigger)由參照時間信息觸發(fā)，它表示一個新的基本周期開始；這個信 號將使節(jié)點內(nèi)時間計數(shù)器復(fù)位，并重新開始計數(shù)。周期內(nèi)時間(Cycle Time)圖4節(jié)點內(nèi)活動的調(diào)度6. TTCAN網(wǎng)絡(luò)時間單元(NTU)在TTCAN中，基本周期是其實現(xiàn)時間觸發(fā)通信的基本時間基準。這個時間和TTCAN 中任何時間一樣，是網(wǎng)絡(luò)時間單元NTU(Network Time Unit)的倍數(shù)。基本周期以NTU為 單位。在TTCAN方式1中，NTU

13、基于CAN的標稱位時間計算；在TTCAN方式2中，它 基于一個物理的計時單位。在TTCAN方式2中，為了在整個系統(tǒng)中建立NTU，每個節(jié)點 的通信控制器的時鐘振蕩器必須與NTU建立對應(yīng)關(guān)系。如圖5,節(jié)點的時鐘振蕩器為一個 分頻器提供時基，分頻器經(jīng)時間單元調(diào)節(jié)率TUR(Time Unit Ratio )調(diào)整后的輸出為NTUNTU 經(jīng)過一個計數(shù)器的輸出得到節(jié)點本地時間和系統(tǒng)全局時間。節(jié)點時鐘振蕩器TUR 分頻器NTU計數(shù)器本地時間/全局時間圖5 NTU的產(chǎn)生過程7.TTCAN方式2中時間校正與全局時間在TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送參照時間信息的節(jié)點稱為時間主節(jié)點(Time Master)，其它 節(jié)點稱為時

14、間從節(jié)點(Time Slave)。時間主節(jié)點在參照時間信息中發(fā)布它用本地時間標注的 參照時標(Ref_Mark)作為網(wǎng)絡(luò)的全局時間參照值，這個時標記為Master_Ref_Mark。同時 所有時間從節(jié)點在參照時間幀(由時間主接點發(fā)送)同步信號到來時記錄自己的參照時間， 即本地的參照時標Ref_Mark。如圖6所示，當時間從節(jié)點接收到參照時間信息時，計算本 地Ref_Mark與Master_Ref_Mark的差值得到本地時間誤差Local_Offset。把本地時間(Local Time)與時間誤差相加就可以得到全局時間的一個估計值，時間從節(jié)點把這個值作為網(wǎng)絡(luò)全 局時間(Global Time)0

15、通過這種方式，TTCAN實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中時間的同步。由于網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點具有不同的時間漂移，各個必須不斷對調(diào)節(jié)本地時鐘的速率與全 局時間一致。各個節(jié)點的TUR初值由本地的時鐘振蕩器決定，是已知的。如圖7，在系統(tǒng) 運行中，為了使本地時鐘趨于時間主節(jié)點的時鐘速率，每個節(jié)點都不斷測取一個基本周期的 本地時間時間值(當前時標減取上次時標)，以及這期間的全局時間值(當前時間主節(jié)點時 標減取上次時間主節(jié)點時標)，然后用這個值作為新的TUR值，這樣，TUR會不斷根據(jù)本 地時鐘的漂移進行調(diào)節(jié)，并用TUR調(diào)節(jié)保證本地時鐘的準確程度。通過以上措施，在TTCAN方式2中，網(wǎng)絡(luò)中任何兩個節(jié)點的全局時間值不會超過一 個 NTU

16、o8.TTCAN主時鐘的容錯處理在TTCAN中，時間主節(jié)點是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間同步最關(guān)鍵的部分，為了提高網(wǎng)絡(luò)時間主 節(jié)點的容錯能力，TTCAN采用了時間主節(jié)點冗余技術(shù)。在一個TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，除了當前 時間主節(jié)點外，還可以設(shè)置幾個不同級別的后備時間主節(jié)點作為后備全局時鐘發(fā)生器。在后 備時間主節(jié)點的TTCAN控制器復(fù)位時后，后備主時鐘發(fā)生器檢驗總線上是否有信息傳送以 及是否有時間參照信息。如果沒有，它就發(fā)送一個帶有它的標識符的參照時間信息；在 TTCAN方式2中，這個信息還包含這個節(jié)點的本地時間；這個時間將作為網(wǎng)絡(luò)的全局時間， 這個節(jié)點被看作網(wǎng)絡(luò)時間主節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)上有多個后備時間主節(jié)點，他們都檢測網(wǎng)絡(luò)上

17、參照時 間信息的狀態(tài)，當出現(xiàn)時間信息丟失時，它們都按以上過程操作，但其發(fā)出的參照時間信息 優(yōu)先級高的獲得時間主節(jié)點的地位，其它的節(jié)點不再發(fā)送時間參照信息，并按照網(wǎng)絡(luò)上的參 照時間信息進行時間的同步。當一個時間后備節(jié)點收到一個優(yōu)先級低于它的參照時間信息時，它首先與已有的參照 時間同步，然后通過在下一個主周期開始時發(fā)送自己的參照時間信息去競爭時間主節(jié)點地 位。通過上述機制，當TTCAN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)活動主時鐘故障時，具有最高優(yōu)先級的后備時間 主節(jié)點，將完成發(fā)送參照時間的功能；同時保證在沒有故障時，系統(tǒng)的工作狀態(tài)是穩(wěn)定的。結(jié)束語為支持TTCAN的開發(fā)，一種基于時間觸發(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定義的基于時間觸發(fā)通信的所有特性，可以自 動維持周期傳送時序，不必依靠軟件控制。TTCAN IP模塊的推出促進了 TTCAN的使用和 推廣，在對汽車網(wǎng)絡(luò)通信的安全性、實時性及時間的可預(yù)測性要求越來越高的今天，相信 TTCAN會有很好的應(yīng)用前景參考文獻：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