對(duì)TTCAN的分析

摘要 TTCAN通過獨(dú)占窗口的方式解決消息傳送的確定性問題，提高總線利用率，試圖滿足應(yīng)用發(fā)展的要求。但是在惡劣環(huán)境的高誤碼率下，傳送的可靠性下降，容錯(cuò)的措施不成熟，成本較高。再考慮TTCAN的其他得失，認(rèn)為它不是性價(jià)比高的CAN技術(shù)升級(jí)方案。

關(guān)鍵詞 CAN TTCAN 時(shí)間觸發(fā)協(xié)議 誤碼率

2002年左右國(guó)外推出的TTCAN是一種時(shí)間觸發(fā)的通信協(xié)議，在我國(guó)電動(dòng)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(duì)誤碼造成的丟幀不容易發(fā)現(xiàn)，且未經(jīng)長(zhǎng)期考驗(yàn)，所以沒有發(fā)現(xiàn)什么問題；但對(duì)于大量生產(chǎn)的汽車，必須全面認(rèn)識(shí)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(duì)TTCAN作些分析，供大家決策時(shí)參考。

1 TTCAN興起的推動(dòng)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(guó)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(duì)它興起的原因進(jìn)行分析仍然會(huì)對(duì)我們有很大的啟發(fā)，正是這些需求構(gòu)成了評(píng)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(chǎng)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(duì)它的局限也有了較多的認(rèn)識(shí)[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(jìng)爭(zhēng)結(jié)果使低優(yōu)先級(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)度計(jì)算小了，但即便這樣，對(duì)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(jí)，它們只可能被一個(gè)低優(yōu)先級(jí)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(duì)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(duì)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(zhǎng)為5 ms。顯然在這種變動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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(jí)消息發(fā)送時(shí)間減少，不得不修改消息的優(yōu)先級(jí)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(huì)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(jí)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(jiǎn)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(zhēng)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(dòng)力量。

2 TTCAN的簡(jiǎn)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：

① 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(duì)Reference進(jìn)行同步,這樣就建立了全局時(shí)鐘。
② Cycle里可以劃分為若干長(zhǎng)度不同的Slot（時(shí)隙），但每個(gè)Cycle的Slot劃分是一樣的。
③ 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(zhēng)用，F(xiàn)ree Window用來備用。
④ 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(cuò)自動(dòng)重發(fā)功能。在Arbitration Window內(nèi)爭(zhēng)用的消息要先判斷能否發(fā)完，如能發(fā)完，才可參加爭(zhēng)用。
⑤ 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(zhēng)用并不是嚴(yán)格意義上的隨到隨爭(zhēng)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(zhēng)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(zhēng)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。

（2） TTCAN在惡劣環(huán)境下誤幀太多

參考文獻(xiàn)[3]中， 用實(shí)驗(yàn)方法得到CAN在惡劣環(huán)境下的誤碼率為2.6× 10-7。據(jù)文章作者認(rèn)為，這是較為保守的估計(jì)，實(shí)際情況要好些。為了考察這個(gè)數(shù)據(jù)的有效性，我與該文作者進(jìn)行了溝通，得到更為詳細(xì)的資料，見參考文獻(xiàn)[4]。根據(jù)這些資料，可以認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)是一個(gè)與汽車現(xiàn)場(chǎng)接近的數(shù)據(jù)，不能算作保守。其主要理由有：

① 實(shí)驗(yàn)的原始想法是只測(cè)來源于CAN電纜干擾的誤碼，所以把CAN發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)放在屏蔽箱內(nèi)，用二條電纜傳送信號(hào)，一條在箱內(nèi)，一條在箱外，通過比較從二條電纜收到的數(shù)據(jù)流，計(jì)算出誤碼率。但是將手機(jī)放在不帶屏蔽、不作雙絞的通信線上進(jìn)行另外的實(shí)驗(yàn)時(shí)，卻沒有任何出錯(cuò)，說明來自空間的干擾影響很小。而實(shí)際惡劣環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)試設(shè)備的電源與干擾源的電源并不獨(dú)立。與此對(duì)比，認(rèn)為出錯(cuò)是通過電源傳導(dǎo)的，這與原始設(shè)想不同。
② 實(shí)驗(yàn)的惡劣環(huán)境是指電焊機(jī)工作時(shí)的干擾，并無具體的數(shù)量指標(biāo)，無法與汽車的電源傳導(dǎo)干擾相比較（ISO7637)。實(shí)際上可能不如汽車電源干擾大。
③ 在電源傳導(dǎo)干擾下，造成誤碼計(jì)數(shù)的情形較復(fù)雜。它與可能的故障位置、CAN收發(fā)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)有關(guān)。誤碼有多算也有少算的情形。
④ 電焊機(jī)是人工操作，通信實(shí)驗(yàn)中干擾源只在部分時(shí)間存在，計(jì)算誤碼率的通信總量多算了。

在此推定下，如假設(shè)TTCAN的總線利用率為60%，通信速率為500 kbps，按照2.6×10-7的誤碼率，那么在1小時(shí)內(nèi)會(huì)有280.8個(gè)誤碼(500k×3 600×60%×2.6×10-7=280.8)，約12.8秒1次。由于TTCAN禁止出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)，因此會(huì)大量丟幀。而對(duì)CAN來說，只要在12.8 s內(nèi)重發(fā)成功，就不會(huì)丟幀。TTCAN要回避這個(gè)問題，就要求更完善的抗干擾措施，這意味著成本的提高。

（3） 由預(yù)留Error Frame幀引起的開銷大

TTCAN沒有禁止Error Frame，由于錯(cuò)誤可能出現(xiàn)在任何時(shí)間，就可能發(fā)生在幀的最后處，每一個(gè)Slot都要預(yù)留Error Frame的時(shí)間，否則它會(huì)阻礙下一個(gè)Slot內(nèi)消息的發(fā)送，這是很大的開銷，使TTCAN遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)想的100%的總線利用率。假定最小的數(shù)據(jù)幀為1B數(shù)據(jù)，長(zhǎng)為65位，而Error Frame為20位，那么這項(xiàng)開銷達(dá)到23.5%。

（4） Slot用途不同造成時(shí)間利用率低由

于TTCAN規(guī)定調(diào)度好的Cycle中的Slot劃分是一樣的，但可能的用途不同。不同的Cycle同一Slot里可能安排了長(zhǎng)短不一的消息，此時(shí)對(duì)短幀來說，留下的時(shí)間就浪費(fèi)了。

（5） 事件消息被阻塞的延遲可能性增大

在TTCAN中，由于調(diào)度結(jié)果造成幾個(gè)連續(xù)的Slot都是獨(dú)占窗，此時(shí)事件消息要等待的時(shí)間很長(zhǎng)，必須有特別的設(shè)計(jì)加以處理。

（6） 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)間同步要求較高

用軟件來實(shí)現(xiàn)時(shí)就得留出時(shí)間以容許主從節(jié)點(diǎn)間的同步誤差，這就又減少了帶寬。如用Level 2的硬件實(shí)現(xiàn)，就不可能馬上使成本低到與CAN一樣。實(shí)際上，置TTCAN于一種新的與CAN無關(guān)的總線的地位，要與其他總線作全面的比較，TTCAN就沒有其他總線好了。

（7） 丟幀處理兩難

TTCAN在傳送出錯(cuò)的情況下，不對(duì)本幀進(jìn)行自動(dòng)重發(fā)。在應(yīng)用上要有所考慮?；蛘哂帽葘?shí)際需要更多的發(fā)送，丟掉就算了的策略，這也會(huì)浪費(fèi)帶寬；或者由應(yīng)用層在仲裁窗組織重發(fā)，但這相當(dāng)復(fù)雜。如用冗余的第2條總線，意味著成本的加倍。

（8） 仲裁窗的要求較難實(shí)現(xiàn)

在仲裁窗判斷事件消息能否發(fā)完，然后控制事件消息的發(fā)送是不容易實(shí)現(xiàn)的。用軟件來實(shí)時(shí)處理來不及，又沒有現(xiàn)成的硬件。

另外，在對(duì)付CAN系統(tǒng)中Babbling idiot出錯(cuò)方面，TTCAN沒有改進(jìn)。

4 小結(jié)

工業(yè)應(yīng)用中可靠性是第一位的要求，出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)是CAN最有價(jià)值的部分；而TTCAN禁止出錯(cuò)重發(fā)，使它的抗干擾能力大打折扣，在應(yīng)用上造成困難。在許多時(shí)間觸發(fā)協(xié)議中糾錯(cuò)的方法都復(fù)雜得多，如TTP/C和FlexRay用2個(gè)通道傳送同樣的消息，只要不是2個(gè)通道同時(shí)出錯(cuò)，消息就能送達(dá)，但是其代價(jià)是成本比單通道增加1倍。TTCAN也能構(gòu)造2個(gè)通道，也會(huì)面臨同樣的代價(jià)問題；而且2個(gè)通道同時(shí)出錯(cuò)仍是有概率的，要重發(fā)又有時(shí)限等新的問題。因此在抗干擾方面，TTCAN沒有給出性價(jià)比合適的解決方案?，F(xiàn)在CAN每年都有數(shù)億的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)量，這說明用戶對(duì)它的可靠性的認(rèn)同，而這種可靠性完全來源于CAN在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)的出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)功能——干擾是客觀存在的，自動(dòng)糾錯(cuò)使用戶根本感覺不到有錯(cuò)。比較所有的現(xiàn)場(chǎng)總線，糾錯(cuò)的方法要比CAN復(fù)雜得多，應(yīng)用就不方便，性價(jià)比下降。盡管FlexRay的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，有星型、總線型等，但設(shè)想用于替代CAN的只用1個(gè)通道的用法，可能會(huì)面臨TTCAN同樣的干擾丟幀問題；解決出錯(cuò)重發(fā)的高層軟件并不成熟，也沒有標(biāo)準(zhǔn)化，因此目前不會(huì)構(gòu)成對(duì)CAN的威脅。

TTCAN與CAN的不兼容，使它在經(jīng)濟(jì)上不能充分利用CAN的資源，所以它也不是CAN的好的升級(jí)方案。

作者： 重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所 楊福宇


參考文獻(xiàn)

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