对TTCAN的分析

转自:http://www.elecfans.com/emb/app/2009032939168.html

2002年左右国外推出的TTCAN是一种时间触发的通信协议，在我国电动汽车“863”攻关项目及地方的科研项目中有许多尝试，目的是判断它能否成为新一代汽车的通信骨干网络。在研制中，它们一般规模较小，总线负载较轻，试验环境并不十分恶劣，对误码造成的丢帧不容易发现，且未经长期考验，所以没有发现什么问题；但对于大量生产的汽车，必须全面认识TTCAN的优劣，以及汽车控制用总线的技术走向，才能避免采用新技术带来的技术与经济风险。本文试图从可靠性与经济性角度对TTCAN作些分析，供大家决策时参考。

1 TTCAN兴起的推动力量

TTCAN是在CAN的基础上发展起来的一种高层协议，它的出现是为解决CAN应用中遇到的瓶颈而作的一种试探。

　　现在，TTCAN已被采纳为国际标准ISO11898-4；但在工业上也只是试验性的应用，没有见到大规模的采用。虽然如此，对它兴起的原因进行分析仍然会对我们有很大的启发，正是这些需求构成了评价一种新技术优劣的依据。CAN是最成功的一种现场总线，在今天依然是应用的主力，经过近20年的实践，对它的局限也有了较多的认识[1]。这里不重复其中总结的内容，仅从应用的角度来说明CAN所面临的问题。

1.1 为满足时限要求不得不降低总线利用率

CAN是事件触发协议，当许多消息同时要求发送时，竞争结果使低优先级消息发送的时间推后很多，甚至不能满足其时限的要求。

　　现以一个SAE benchmark为例[1]。该例有5条5 ms周期的消息，其帧长含1B、2B、1B、2B和4B数据，其余为50、100和1 000 ms的消息。在参考文献[1]中，消息可能的最大长度计算小了，但即便这样，对于5 ms周期的消息在125、250、500 kbps和1 Mbps的总线速率下，最大响应时间为4.456、2.228、1.114、0.557 ms。由于这些消息都置于较高优先级，它们只可能被一个低优先级4B数据消息阻断1次。我们可以只算这几条消息而估计相应总线的通信负载为75 kbps，对应的总线利用率为60%、30%、15%和7.5%。

　　现在看看最大响应时间对于应用意味着什么：一个闭环控制系统以5 ms为采样控制周期，在最坏响应时间为4.456 ms时，执行器产生的反馈控制效果在下一次采样前维持的时间最坏为5-4.456=0.55 ms，最长为5 ms。显然在这种变动巨大的情况下，控制参数只能取得比较保守，例如微分和积分增益不能太强。这就极大地限制了控制品质的提高。有些控制算法对这种纯迟后的变化更为敏感，例如smith预估，因此为了保证品质，只能取较低的总线利用率。对于以品质为第一的整车厂，这是唯一的选择，而取较低的总线利用率意味着成本的提高。

1.2 汽车厂是对成本非常敏感的企业

　　如果总线利用率只有20%~30%，随着安全、节能与舒适性要求的提高，要增加更多消息而不希望增加成本。1条总线不够，在技术上可再加，或者是连接2个ECU的专用总线，或者是连多个ECU的附加总线。要在2条CAN总线中加网桥，不要说复杂性的增加，成本的增加就很大。以一个网桥200元算，年产20万台车的厂家要增加4 000万元成本。如果把总线利用率提高到60%，这钱就省下来了。

1.3 CAN的开发与应用成本较高

　　为了使低优先级消息发送时间减少，不得不修改消息的优先级分配，这种变化增加了维修、管理的成本。由于系统中消息量与种类的变化，消息的送达时间会变化，又增加了认证和验证的工作量和成本。在开发新功能方面，也受到消息优先级设置上的相互影响，不易单独推进。

1.4 CAN达不到线控技术的要求

　　线控技术可能简化汽车的结构、降低成本、提高控制能力，是一个重要发展的方向。但要达到与原来机械—液压系统同样的可靠性，需要通信系统有更高的确定性与冗余度。CAN达不到这一确定性要求，所以要改进。当然，新的协议不能在性能上比CAN还差。

　　通过时间触发协议，使消息在调度好的时间片内发送，可以消除总线的争用，消息传送的确定性得到了保证，总线的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周期性质，需要提供合理的带宽与时隙分布。TTCAN就在这种背景下出现了。几乎同时出现的还有其他时间触发协议，早一点的有TTP/C,晚一点的有FTTCAN、FlexRay等。它们都是在特定时隙指定周期性消息或事件消息的传送，细节上虽有区别，但没有根本的区别。与其他协议比较，TTCAN的优点是它用现有的CAN芯片就可以实现，因此价格便宜。这些经济上的考虑是TTCAN出现的直接推动力量。

2 TTCAN的简要内容

参考文献[2]有TTCAN的详细介绍。它的作者是TTCAN技术专利发明人、标准起草人。这里仅将它的几个要点摘出：

　　① TTCAN用System Matrix组织时间片。它相当于一个大周期，一个System Matrix里又分为2n个Cycle。在每个Cycle开始处，由时间上的Master节点发Reference消息，时间上的从节点对Reference进行同步,这样就建立了全局时钟。
　　② Cycle里可以划分为若干长度不同的Slot（时隙），但每个Cycle的Slot划分是一样的。
　　③ Slot的用途有3种：Exclusive Window(独占窗)、Arbitration Window（仲裁窗）和 Free Window（空窗）。Exclusive Window用于周期性消息发送，Arbitration Window用于事件消息的争用，Free Window用来备用。
　　④ 禁止消息跨窗口的发送，只有相连续的Arbitration Window除外。为此，禁止CAN的出错自动重发功能。在Arbitration Window内争用的消息要先判断能否发完，如能发完，才可参加争用。
　　⑤ Slot用途的指定是由调度器来实现的，它不是标准的内容，然而事件消息在Arbitration Window的争用并不是严格意义上的随到随争用。按参考文献[2]的想法，事件消息是偶发消息，应用程序可以预先安排几个偶发消息到一个Arbitration Window，再任它们争用。
　　⑥ 在一个Cycle里，Slot的用途不受约束。

3 TTCAN的缺点与问题

（1） TTCAN与CAN是不兼容的

　　TTCAN要求独占窗，因此它不能和CAN混合使用在一个系统中。带CAN通信口的ECU不受TTCAN的约束，可在任意时刻发送，就有可能在总线空闲时争得发送权，使TTCAN的调度发送完全失效。汽车厂在采用TTCAN时必须将所有要用到的ECU都改为用TTCAN的方式，这就要重新认证和验证所有的ECU，涉及大的工作量和投资。如果用网关将CAN的ECU过渡到TTCAN网，其成本的增加更大，只具有实验意义。

（2） TTCAN在恶劣环境下误帧太多

　　参考文献[3]中， 用实验方法得到CAN在恶劣环境下的误码率为2.6× 10-7。据文章作者认为，这是较为保守的估计，实际情况要好些。为了考察这个数据的有效性，我与该文作者进行了沟通，得到更为详细的资料，见参考文献[4]。根据这些资料，可以认为这个数据是一个与汽车现场接近的数据，不能算作保守。其主要理由有：

　　① 实验的原始想法是只测来源于CAN电缆干扰的误码，所以把CAN发送和接收节点放在屏蔽箱内，用二条电缆传送信号，一条在箱内，一条在箱外，通过比较从二条电缆收到的数据流，计算出误码率。但是将手机放在不带屏蔽、不作双绞的通信线上进行另外的实验时，却没有任何出错，说明来自空间的干扰影响很小。而实际恶劣环境下现场被测试设备的电源与干扰源的电源并不独立。与此对比，认为出错是通过电源传导的，这与原始设想不同。
　　② 实验的恶劣环境是指电焊机工作时的干扰，并无具体的数量指标，无法与汽车的电源传导干扰相比较（ISO7637)。实际上可能不如汽车电源干扰大。
　　③ 在电源传导干扰下，造成误码计数的情形较复杂。它与可能的故障位置、CAN收发节点状态有关。误码有多算也有少算的情形。
　　④ 电焊机是人工操作，通信实验中干扰源只在部分时间存在，计算误码率的通信总量多算了。

　　在此推定下，如假设TTCAN的总线利用率为60%，通信速率为500 kbps，按照2.6×10-7的误码率，那么在1小时内会有280.8个误码(500k×3 600×60%×2.6×10-7=280.8)，约12.8秒1次。由于TTCAN禁止出错自动重发，因此会大量丢帧。而对CAN来说，只要在12.8 s内重发成功，就不会丢帧。TTCAN要回避这个问题，就要求更完善的抗干扰措施，这意味着成本的提高。

（3） 由预留Error Frame帧引起的开销大

　　TTCAN没有禁止Error Frame，由于错误可能出现在任何时间，就可能发生在帧的最后处，每一个Slot都要预留Error Frame的时间，否则它会阻碍下一个Slot内消息的发送，这是很大的开销，使TTCAN远达不到设想的100%的总线利用率。假定最小的数据帧为1B数据，长为65位，而Error Frame为20位，那么这项开销达到23.5%。

（4） Slot用途不同造成时间利用率低由

　　于TTCAN规定调度好的Cycle中的Slot划分是一样的，但可能的用途不同。不同的Cycle同一Slot里可能安排了长短不一的消息，此时对短帧来说，留下的时间就浪费了。

（5） 事件消息被阻塞的延迟可能性增大

　　在TTCAN中，由于调度结果造成几个连续的Slot都是独占窗，此时事件消息要等待的时间很长，必须有特别的设计加以处理。

（6） 网络内的时间同步要求较高

　　用软件来实现时就得留出时间以容许主从节点间的同步误差，这就又减少了带宽。如用Level 2的硬件实现，就不可能马上使成本低到与CAN一样。实际上，置TTCAN于一种新的与CAN无关的总线的地位，要与其他总线作全面的比较，TTCAN就没有其他总线好了。

（7） 丢帧处理两难

　　TTCAN在传送出错的情况下，不对本帧进行自动重发。在应用上要有所考虑。或者用比实际需要更多的发送，丢掉就算了的策略，这也会浪费带宽；或者由应用层在仲裁窗组织重发，但这相当复杂。如用冗余的第2条总线，意味着成本的加倍。

（8） 仲裁窗的要求较难实现

　　在仲裁窗判断事件消息能否发完，然后控制事件消息的发送是不容易实现的。用软件来实时处理来不及，又没有现成的硬件。

　　另外，在对付CAN系统中Babbling idiot出错方面，TTCAN没有改进。

4 小结

工业应用中可靠性是第一位的要求，出错自动重发是CAN最有价值的部分；而TTCAN禁止出错重发，使它的抗干扰能力大打折扣，在应用上造成困难。在许多时间触发协议中纠错的方法都复杂得多，如TTP/C和FlexRay用2个通道传送同样的消息，只要不是2个通道同时出错，消息就能送达，但是其代价是成本比单通道增加1倍。TTCAN也能构造2个通道，也会面临同样的代价问题；而且2个通道同时出错仍是有概率的，要重发又有时限等新的问题。因此在抗干扰方面，TTCAN没有给出性价比合适的解决方案。现在CAN每年都有数亿的节点产量，这说明用户对它的可靠性的认同，而这种可靠性完全来源于CAN在数据链路层实现的出错自动重发功能——干扰是客观存在的，自动纠错使用户根本感觉不到有错。比较所有的现场总线，纠错的方法要比CAN复杂得多，应用就不方便，性价比下降。尽管FlexRay的拓扑结构很多，有星型、总线型等，但设想用于替代CAN的只用1个通道的用法，可能会面临TTCAN同样的干扰丢帧问题；解决出错重发的高层软件并不成熟，也没有标准化，因此目前不会构成对CAN的威胁。

　　TTCAN与CAN的不兼容，使它在经济上不能充分利用CAN的资源，所以它也不是CAN的好的升级方案。

参考文献

[1] Tindell K W, Burns A. Guaranteeing message latencies on Controller Area Network (CAN)[C]. In Proceedings of 1st International CAN Conference, pp. 111, September 1994.
[2] Fuhler T,et al. Time Triggered Communication on CAN[C]. Robert Bosch GmbH, Proceedings 7th International CAN Conference, Amsterdam, Holland, 2000.
[3] Ferreira J,Oliveira A,Fonseca P，et al. An experiment to assess bit error rate in CAN[C]. RTN 2004 3rd Int. Workshop on Real?Time Networks sattelite held in conjunction with the 16th Euromicro Intl Conference on Real?Time Systems, June 2004.
[4] Ferreira J. PhDjjcf_Charpter_4.pdf
[5] 杨福宇. CAN总线的局限[J]. 电子设计应用,2006(11):32, 34.

杨福宇（高级工程师），主要研究方向为工控、现场总线与汽车电子。Email: [email protected]。