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1对TTCAN的分析.doc

1对TTCAN的分析

平凡的程序员小强
2018-09-04 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《1对TTCAN的分析doc》,可适用于工程科技领域

资料来源电子下载网下载时间::本文地址http:ujjcomshejiqianrushihtml对TTCAN的分析摘要TTCAN通过独占窗口的方式解决消息传送的确定性问题提高总线利用率试图满足应用发展的要求。但是在恶劣环境的高误码率下传送的可靠性下降容错的措施不成熟成本较高。再考虑TTCAN的其他得失认为它不是性价比高的CAN技术升级方案。关键词 CAN TTCAN 时间触发协议 误码率  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“”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。 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ISO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年的实践对它的局限也有了较多的认识。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。 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SAEbenchmark为例。该例有条ms周期的消息其帧长含B、B、B、B和B数据其余为、和ms的消息。在参考文献中消息可能的最大长度计算小了但即便这样对于ms周期的消息在、、kbps和Mbps的总线速率下最大响应时间为、、、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B数据消息阻断次。我们可以只算这几条消息而估计相应总线的通信负载为kbps对应的总线利用率为、、和。  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ms为采样控制周期在最坏响应时间为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=ms最长为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。 汽车厂是对成本非常敏感的企业  如果总线利用率只有~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。条总线不够在技术上可再加或者是连接个ECU的专用总线或者是连多个ECU的附加总线。要在条CAN总线中加网桥不要说复杂性的增加成本的增加就很大。以一个网桥元算年产万台车的厂家要增加万元成本。如果把总线利用率提高到这钱就省下来了。 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。 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TTPC,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。 TTCAN的简要内容  参考文献有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:  ①TTCAN用SystemMatrix组织时间片。它相当于一个大周期一个SystemMatrix里又分为n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。  ②Cycle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。  ③Slot的用途有种:ExclusiveWindow(独占窗)、ArbitrationWindow(仲裁窗)和FreeWindow(空窗)。ExclusiveWindow用于周期性消息发送ArbitrationWindow用于事件消息的争用FreeWindow用来备用。  ④禁止消息跨窗口的发送只有相连续的ArbitrationWindow除外。为此禁止CAN的出错自动重发功能。在ArbitrationWindow内争用的消息要先判断能否发完如能发完才可参加争用。  ⑤Slot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ArbitrationWindow的争用并不是严格意义上的随到随争用。按参考文献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ArbitrationWindow再任它们争用。  ⑥在一个Cycle里Slot的用途不受约束。 TTCAN的缺点与问题()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。()TTCAN在恶劣环境下误帧太多  参考文献中用实验方法得到CAN在恶劣环境下的误码率为×。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。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(ISO)。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的总线利用率为通信速率为kbps按照×的误码率那么在小时内会有个误码(k××××=)约秒次。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。()由预留ErrorFrame帧引起的开销大  TTCAN没有禁止ErrorFrame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ErrorFrame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远达不到设想的的总线利用率。假定最小的数据帧为B数据长为位而ErrorFrame为位那么这项开销达到。()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。()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。()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。()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。如用冗余的第条总线意味着成本的加倍。()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Babblingidiot出错方面TTCAN没有改进。 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TTPC和FlexRay用个通道传送同样的消息只要不是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倍。TTCAN也能构造个通道也会面临同样的代价问题而且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 TindellKW,BurnsAGuaranteeingmessagelatenciesonControllerAreaNetwork(CAN)CInProceedingsofstInternationalCANConference,pp,September FuhlerT,etalTimeTriggeredCommunicationonCANCRobertBoschGmbH,ProceedingsthInternationalCANConference,Amsterdam,Holland, FerreiraJ,OliveiraA,FonsecaPetalAnexperimenttoassessbiterrorrateinCANCRTN rdIntWorkshoponReal�TimeNetworkssatteliteheldinconjunctionwiththethEuromicroIntlConferenceonReal�TimeSystems,June FerreiraJPhDjjcfCharpterpdf 杨福宇CAN总线的局限J电子设计应用,():,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:yfycom。(收修改稿日期:)推荐阅读:(按住Ctrl鼠标左键点击标题可以打开详细内容)、IC检测方法、什么是遥感技术、什么是无线网址、制冷设备维修技巧、什么是色温、手机RF设计问答、微波简史、微波小知识、卫星导航知识、卫星与遥感技术

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