TTCAN總線技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用研究

黎軍華，鄒繼軍

（東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000）

中國(guó)是世界上最大的汽車市場(chǎng),也是全球汽車增速最快的市場(chǎng),但是目前大多數(shù)中國(guó)人還是沒有車的,隨著中國(guó)人的收入和財(cái)富不斷增長(zhǎng),中國(guó)的汽車市場(chǎng)非常具有吸引力,，也為汽車電子行業(yè)帶來巨大發(fā)展，在過去30年里，汽車中汽車電子設(shè)備逐漸增加，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的X-by-wire（線控技術(shù)）在汽車中得到廣泛的應(yīng)用，大大提高了汽車的安全系數(shù)。

CAN總線技術(shù)廣泛應(yīng)用于中國(guó)本土汽車行業(yè)中，但不能滿足一些實(shí)時(shí)性比較高的系統(tǒng)（例如線動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)），會(huì)產(chǎn)生消息傳送的延時(shí)，不能保證消息傳輸延時(shí)的確定性，這將會(huì)帶來巨大的安全隱患，TTCAN（Time Trigged Control Area Network）協(xié)議正是應(yīng)這種需求并提出發(fā)展起來的，TTCAN對(duì)CAN進(jìn)行了擴(kuò)展，提供了時(shí)間觸發(fā)機(jī)制以提高通信實(shí)時(shí)性。

1 TTCAN

TTCAN是在Bosch公司的標(biāo)準(zhǔn)CAN總線協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展了支持時(shí)間觸發(fā)的高層協(xié)議。TTCAN節(jié)點(diǎn)完全兼容CAN節(jié)點(diǎn),無論是在數(shù)據(jù)鏈路層還是在物理層,它們使用同樣的總線線路和總線收發(fā)器。TTCAN協(xié)議可以同步整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的通信調(diào)度表,并且還提供了一個(gè)全局參考時(shí)間,當(dāng)總線上所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘都同步時(shí),任何Message(報(bào)文)都可以在時(shí)間窗口中被發(fā)送出去,在TTCAN系統(tǒng)中所有的報(bào)文都是由調(diào)度表決定的，所有的時(shí)間窗口可以被設(shè)計(jì)成完全正交，信息的傳送時(shí)間都可以通過調(diào)度表提前預(yù)知。

1.1 時(shí)間觸發(fā)通信

時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)中任務(wù)是由全局時(shí)間觸發(fā)的，由于時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)保證在同一個(gè)時(shí)刻，系統(tǒng)中只有一個(gè)任務(wù)被觸發(fā)，而且在任何時(shí)刻系統(tǒng)中都有任務(wù)在執(zhí)行。這樣，就使系統(tǒng)的使用效率得到了提高，而且不會(huì)發(fā)生任務(wù)阻塞的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在著時(shí)間的漂移 (由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境以及其時(shí)鐘晶振的制作工藝等存在差異)，所以必須動(dòng)態(tài)的對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘能夠同步。如圖1 所示，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘到達(dá)3和8時(shí)發(fā)送消息A。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)5時(shí)發(fā)送消息B，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)13時(shí)發(fā)送消息C。

圖1 時(shí)間觸發(fā)通信方式

1.2 TTCAN實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同步的方式

TTCAN實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同步的方式有兩種，一種遵從級(jí)別1的TTCAN規(guī)范，另一種遵從級(jí)別2的TTCAN規(guī)范。

（1）級(jí)別1 TTCAN規(guī)范實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)同步的方式。在TTCAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)向其它節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)邏輯上稱為時(shí)間主機(jī)，其它節(jié)點(diǎn)稱為時(shí)間從機(jī)。時(shí)間主機(jī)發(fā)送的用于同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的報(bào)文稱為參考報(bào)文，時(shí)間主機(jī)發(fā)送參考報(bào)文不是單次的，而是每隔一定時(shí)間就會(huì)發(fā)送一次，以此來使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)重新同步于時(shí)間主機(jī)，這個(gè)間隔時(shí)間稱為一個(gè)基本循環(huán)。由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘都要同步于時(shí)間主機(jī)的時(shí)鐘，故時(shí)間主機(jī)的時(shí)鐘可以看作是全局時(shí)鐘。級(jí)別1的TTCAN規(guī)范，使用傳統(tǒng)CAN控制器結(jié)合微控制器的軟件控制便可以實(shí)現(xiàn)。

（2）級(jí)別2 TTCAN規(guī)范實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)同步的方式。級(jí)別2的TTCAN規(guī)范為每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加物理的時(shí)鐘部件并把它的時(shí)間作為本地時(shí)鐘。時(shí)間主機(jī)將自身時(shí)鐘模塊內(nèi)的時(shí)鐘作為網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)間，當(dāng)它廣播發(fā)送參考報(bào)文時(shí)，連同這個(gè)時(shí)鐘放入報(bào)文的數(shù)據(jù)區(qū)同時(shí)發(fā)送出去。時(shí)間從機(jī)接收到參考報(bào)文后，根據(jù)參考報(bào)文里的時(shí)鐘與本地時(shí)時(shí)鐘的差計(jì)算出全局時(shí)間，如圖2 所示，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的同步。

圖2 從節(jié)點(diǎn)的全局時(shí)間

1.3 TTCAN時(shí)間調(diào)度表

（1）參照?qǐng)?bào)文與基本循環(huán)。在TTCAN中的時(shí)間觸發(fā)通信是基于參照?qǐng)?bào)文的周期通信，參照?qǐng)?bào)文是一個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀，由時(shí)間主機(jī)有規(guī)則地發(fā)送的，通過它的標(biāo)識(shí)符很容易被識(shí)別。兩個(gè)連續(xù)的參考幀之間的時(shí)間叫做基本循環(huán)。

（2）系統(tǒng)矩陣。設(shè)計(jì)TTCAN系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功能等設(shè)計(jì)若干互不相同的基本循環(huán)，再進(jìn)一步根據(jù)系統(tǒng)需要將它們聯(lián)合起來構(gòu)成系統(tǒng)的時(shí)間調(diào)度表，稱為系統(tǒng)矩陣，如圖3 所示。

在一個(gè)系統(tǒng)矩陣的實(shí)現(xiàn)過程中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)在時(shí)間同步條件下按照系統(tǒng)矩陣的調(diào)度安排來獲得對(duì)總線的使用權(quán)，在規(guī)定的時(shí)間窗口內(nèi)完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而確?？偩€上定期報(bào)文的實(shí)時(shí)性。整個(gè)TTCAN的通信實(shí)際上是各節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)矩陣的安排下，周期性地完成系統(tǒng)矩陣中所規(guī)定的任務(wù)，即系統(tǒng)矩陣的周期性循環(huán)。

圖3 系統(tǒng)矩陣

2 TTCAN總線技術(shù)在汽車電子中的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代汽車系統(tǒng)中由若干個(gè)控制系統(tǒng)組成，各個(gè)控制系統(tǒng)通過緊密的配合才能讓汽車性能安全，可靠。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路是在現(xiàn)有CAN總線技術(shù)上的升級(jí)與改進(jìn)，兼容原有的CAN總線線路，在系統(tǒng)硬件和軟件上做相應(yīng)的改進(jìn)，如圖4 所示，各個(gè)控制系統(tǒng)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，并用TTCAN通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 整體內(nèi)部系統(tǒng)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

TTCAN節(jié)點(diǎn)接口模塊主要分為三個(gè)部分：模塊控制器；CAN控制器;CAN收發(fā)器，如圖5 所示，節(jié)點(diǎn)硬件部分跟CAN節(jié)點(diǎn)硬件部分是兼容的，TTCAN模塊與CAN模塊最大的不同就在于TTCAN模塊具有時(shí)間觸發(fā)功能，TTCAN內(nèi)核比CAN內(nèi)核多了幀同步塊和觸發(fā)寄存器，硬件設(shè)備均可以通過模塊控制器的內(nèi)部擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)。

圖5 接口模塊

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)語言用C語言編寫，總共分為7個(gè)部分，各時(shí)間單元初始化；循環(huán)時(shí)間控制；本地時(shí)間控制；全局時(shí)間控制；主節(jié)點(diǎn)控制；總操作控制；時(shí)間調(diào)度表；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)間調(diào)度表可以采取靜態(tài)調(diào)度和動(dòng)態(tài)調(diào)度兩種方法。靜態(tài)調(diào)度是指，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在組網(wǎng)之前將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)里每個(gè)節(jié)點(diǎn)在哪一個(gè)窗口發(fā)送或接收?qǐng)?bào)文的順序規(guī)劃好，然后按照規(guī)劃設(shè)計(jì)出調(diào)度表，再根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)不同的特定知識(shí)設(shè)將調(diào)度表相關(guān)內(nèi)容分散到各節(jié)點(diǎn)。這樣設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行起來之后調(diào)度表不能改變。動(dòng)態(tài)調(diào)度是指按照系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的需求，在系統(tǒng)動(dòng)作中動(dòng)態(tài)地生成調(diào)度表，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)再按照調(diào)度表發(fā)送信息。系統(tǒng)的調(diào)度表可以根據(jù)不同的系統(tǒng)生成不同的調(diào)度表，若系統(tǒng)變化時(shí)，調(diào)度信息也隨之變化。

3 結(jié)語

TTCAN系統(tǒng)的應(yīng)用前景很大，中國(guó)正處在高速發(fā)展階段，居民擁有的汽車數(shù)據(jù)逐年上升，交通事故率也相對(duì)增加給交通造成了很大影響，此系統(tǒng)對(duì)于構(gòu)建智能交通系統(tǒng)是個(gè)很好的設(shè)想，具有重要的科研意義和使用應(yīng)用價(jià)值。

[1]饒運(yùn)濤，鄒繼軍，王進(jìn)宏，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]饒運(yùn)濤.帶時(shí)間觸發(fā)的CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，34(21):216-218.

[3]周震，楊正林.時(shí)間觸發(fā)CAN—TTCAN[J].汽車電器，2005.

[4]卞卡明，黎光顯，秦利升.TTCAN的硬件實(shí)現(xiàn)及在智能壓路機(jī)上的應(yīng)用[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2007.

[5]Leen G,Hefferman D.TTCAN:a new time-triggered controller area networks[J].Microprocessors and Microsystem，2002，26:77-79.