對TTCAN的分析

摘要 TTCAN通過獨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，試圖滿足應用發展的要求。但是在惡劣環境的高誤碼率下，傳送的可靠性下降，容錯的措施不成熟，成本較高。再考慮TTCAN的其他得失，認為它不是性價比高的CAN技術升級方案。

關鍵詞? CAN? TTCAN? 時間觸發協議? 誤碼率

　　2002年左右國外推出的TTCAN是一種時間觸發的通信協議，在我國電動汽車“863”攻關項目及地方的科研項目中有許多嘗試，目的是判斷它能否成為新一代汽車的通信骨干網絡。在研制中，它們一般規模較小，總線負載較輕，試驗環境并不十分惡劣，對誤碼造成的丟幀不容易發現，且未經長期考驗，所以沒有發現什么問題；但對于大量生產的汽車，必須全面認識TTCAN的優劣，以及汽車控制用總線的技術走向，才能避免采用新技術帶來的技術與經濟風險。本文試圖從可靠性與經濟性角度對TTCAN作些分析，供大家決策時參考。

1? TTCAN興起的推動力量

　　TTCAN是在CAN的基礎上發展起來的一種高層協議，它的出現是為解決CAN應用中遇到的瓶頸而作的一種試探。

　　現在，TTCAN已被采納為國際標準ISO118984；但在工業上也只是試驗性的應用，沒有見到大規模的采用。雖然如此，對它興起的原因進行分析仍然會對我們有很大的啟發，正是這些需求構成了評價一種新技術優劣的依據。CAN是最成功的一種現場總線，在今天依然是應用的主力，經過近20年的實踐，對它的局限也有了較多的認識[1]。這里不重復其中總結的內容，僅從應用的角度來說明CAN所面臨的問題。

1.1? 為滿足時限要求不得不降低總線利用率

　　CAN是事件觸發協議，當許多消息同時要求發送時，競爭結果使低優先級消息發送的時間推后很多，甚至不能滿足其時限的要求。

　　現以一個SAE benchmark為例[1]。該例有5條5 ms周期的消息，其幀長含1B、2B、1B、2B和4B數據，其余為50、100和1 000 ms的消息。在參考文獻[1]中，消息可能的最大長度計算小了，但即便這樣，對于5 ms周期的消息在125、250、500 kbps和1 Mbps的總線速率下，最大響應時間為4.456、2.228、1.114、0.557 ms。由于這些消息都置于較高優先級，它們只可能被一個低優先級4B數據消息阻斷1次。我們可以只算這幾條消息而估計相應總線的通信負載為75 kbps，對應的總線利用率為60%、30%、15%和7.5%。

　　現在看看最大響應時間對于應用意味著什么：一個閉環控制系統以5 ms為采樣控制周期，在最壞響應時間為4.456 ms時，執行器產生的反饋控制效果在下一次采樣前維持的時間最壞為5-4.456=0.55 ms，最長為5 ms。顯然在這種變動巨大的情況下，控制參數只能取得比較保守，例如微分和積分增益不能太強。這就極大地限制了控制品質的提高。有些控制算法對這種純遲后的變化更為敏感，例如smith預估，因此為了保證品質，只能取較低的總線利用率。對于以品質為第一的整車廠，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? 汽車廠是對成本非常敏感的企業

　　如果總線利用率只有20%~30%，隨著安全、節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，在技術上可再加，或者是連接2個ECU的專用總線，或者是連多個ECU的附加總線。要在2條CAN總線中加網橋，不要說復雜性的增加，成本的增加就很大。以一個網橋200元算，年產20萬臺車的廠家要增加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的開發與應用成本較高

　　為了使低優先級消息發送時間減少，不得不修改消息的優先級分配，這種變化增加了維修、管理的成本。由于系統中消息量與種類的變化，消息的送達時間會變化，又增加了認證和驗證的工作量和成本。在開發新功能方面，也受到消息優先級設置上的相互影響，不易單獨推進。

1.4? CAN達不到線控技術的要求

　　線控技術可能簡化汽車的結構、降低成本、提高控制能力，是一個重要發展的方向。但要達到與原來機械—液壓系統同樣的可靠性，需要通信系統有更高的確定性與冗余度。CAN達不到這一確定性要求，所以要改進。當然，新的協議不能在性能上比CAN還差。

　　通過時間觸發協議，使消息在調度好的時間片內發送，可以消除總線的爭用，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，需要提供合理的帶寬與時隙分布。TTCAN就在這種背景下出現了。幾乎同時出現的還有其他時間觸發協議，早一點的有TTP/C,晚一點的有FTTCAN、FlexRay等。它們都是在特定時隙指定周期性消息或事件消息的傳送，細節上雖有區別，但沒有根本的區別。與其他協議比較，TTCAN的優點是它用現有的CAN芯片就可以實現，因此價格便宜。這些經濟上的考慮是TTCAN出現的直接推動力量。

2? TTCAN的簡要內容

　　參考文獻[2]有TTCAN的詳細介紹。它的作者是TTCAN技術專利發明人、標準起草人。這里僅將它的幾個要點摘出：

　　① TTCAN用System Matrix組織時間片。它相當于一個大周期，一個System Matrix里又分為2n個Cycle。在每個Cycle開始處，由時間上的Master節點發Reference消息，時間上的從節點對Reference進行同步,這樣就建立了全局時鐘。
　　② Cycle里可以劃分為若干長度不同的Slot（時隙），但每個Cycle的Slot劃分是一樣的。
　?、?Slot的用途有3種：Exclusive Window(獨占窗)、Arbitration Window（仲裁窗）和 Free Window（空窗）。Exclusive Window用于周期性消息發送，Arbitration Window用于事件消息的爭用，Free Window用來備用。
　?、?禁止消息跨窗口的發送，只有相連續的Arbitration Window除外。為此，禁止CAN的出錯自動重發功能。在Arbitration Window內爭用的消息要先判斷能否發完，如能發完，才可參加爭用。
　　⑤ Slot用途的指定是由調度器來實現的，它不是標準的內容，然而事件消息在Arbitration Window的爭用并不是嚴格意義上的隨到隨爭用。按參考文獻[2]的想法，事件消息是偶發消息，應用程序可以預先安排幾個偶發消息到一個Arbitration Window，再任它們爭用。
　?、?在一個Cycle里，Slot的用途不受約束。

3? TTCAN的缺點與問題

（1） TTCAN與CAN是不兼容的

　　TTCAN要求獨占窗，因此它不能和CAN混合使用在一個系統中。帶CAN通信口的ECU不受TTCAN的約束，可在任意時刻發送，就有可能在總線空閑時爭得發送權，使TTCAN的調度發送完全失效。汽車廠在采用TTCAN時必須將所有要用到的ECU都改為用TTCAN的方式，這就要重新認證和驗證所有的ECU，涉及大的工作量和投資。如果用網關將CAN的ECU過渡到TTCAN網，其成本的增加更大，只具有實驗意義。

（2） TTCAN在惡劣環境下誤幀太多

　　參考文獻[3]中，用實驗方法得到CAN在惡劣環境下的誤碼率為2.6× 10-7。據文章作者認為，這是較為保守的估計，實際情況要好些。為了考察這個數據的有效性，我與該文作者進行了溝通，得到更為詳細的資料，見參考文獻[4]。根據這些資料，可以認為這個數據是一個與汽車現場接近的數據，不能算作保守。其主要理由有：

　?、?實驗的原始想法是只測來源于CAN電纜干擾的誤碼，所以把CAN發送和接收節點放在屏蔽箱內，用二條電纜傳送信號，一條在箱內，一條在箱外，通過比較從二條電纜收到的數據流，計算出誤碼率。但是將手機放在不帶屏蔽、不作雙絞的通信線上進行另外的實驗時，卻沒有任何出錯，說明來自空間的干擾影響很小。而實際惡劣環境下現場被測試設備的電源與干擾源的電源并不獨立。與此對比，認為出錯是通過電源傳導的，這與原始設想不同。
　　② 實驗的惡劣環境是指電焊機工作時的干擾，并無具體的數量指標，無法與汽車的電源傳導干擾相比較（ISO7637)。實際上可能不如汽車電源干擾大。
　?、?在電源傳導干擾下，造成誤碼計數的情形較復雜。它與可能的故障位置、CAN收發節點狀態有關。誤碼有多算也有少算的情形。
　?、?電焊機是人工操作，通信實驗中干擾源只在部分時間存在，計算誤碼率的通信總量多算了。

　　在此推定下，如假設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小時內會有280.8個誤碼(500k×3 600×60%×2.6×10-7=280.8)，約12.8秒1次。由于TTCAN禁止出錯自動重發，因此會大量丟幀。而對CAN來說，只要在12.8 s內重發成功，就不會丟幀。TTCAN要回避這個問題，就要求更完善的抗干擾措施，這意味著成本的提高。

（3）由預留Error Frame幀引起的開銷大

　　TTCAN沒有禁止Error Frame，由于錯誤可能出現在任何時間，就可能發生在幀的最后處，每一個Slot都要預留Error Frame的時間，否則它會阻礙下一個Slot內消息的發送，這是很大的開銷，使TTCAN遠達不到設想的100%的總線利用率。假定最小的數據幀為1B數據，長為65位，而Error Frame為20位，那么這項開銷達到23.5%。

（4） Slot用途不同造成時間利用率低由

　　于TTCAN規定調度好的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里可能安排了長短不一的消息，此時對短幀來說，留下的時間就浪費了。

（5）事件消息被阻塞的延遲可能性增大

　　在TTCAN中，由于調度結果造成幾個連續的Slot都是獨占窗，此時事件消息要等待的時間很長，必須有特別的設計加以處理。

（6）網絡內的時間同步要求較高

　　用軟件來實現時就得留出時間以容許主從節點間的同步誤差，這就又減少了帶寬。如用Level 2的硬件實現，就不可能馬上使成本低到與CAN一樣。實際上，置TTCAN于一種新的與CAN無關的總線的地位，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在傳送出錯的情況下，不對本幀進行自動重發。在應用上要有所考慮。或者用比實際需要更多的發送，丟掉就算了的策略，這也會浪費帶寬；或者由應用層在仲裁窗組織重發，但這相當復雜。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現

　　在仲裁窗判斷事件消息能否發完，然后控制事件消息的發送是不容易實現的。用軟件來實時處理來不及，又沒有現成的硬件。

　　另外，在對付CAN系統中Babbling idiot出錯方面，TTCAN沒有改進。

4? 小結

　　工業應用中可靠性是第一位的要求，出錯自動重發是CAN最有價值的部分；而TTCAN禁止出錯重發，使它的抗干擾能力大打折扣，在應用上造成困難。在許多時間觸發協議中糾錯的方法都復雜得多，如TTP/C和FlexRay用2個通道傳送同樣的消息，只要不是2個通道同時出錯，消息就能送達，但是其代價是成本比單通道增加1倍。TTCAN也能構造2個通道，也會面臨同樣的代價問題；而且2個通道同時出錯仍是有概率的，要重發又有時限等新的問題。因此在抗干擾方面，TTCAN沒有給出性價比合適的解決方案?，F在CAN每年都有數億的節點產量，這說明用戶對它的可靠性的認同，而這種可靠性完全來源于CAN在數據鏈路層實現的出錯自動重發功能——干擾是客觀存在的，自動糾錯使用戶根本感覺不到有錯。比較所有的現場總線，糾錯的方法要比CAN復雜得多，應用就不方便，性價比下降。盡管FlexRay的拓撲結構很多，有星型、總線型等，但設想用于替代CAN的只用1個通道的用法，可能會面臨TTCAN同樣的干擾丟幀問題；解決出錯重發的高層軟件并不成熟，也沒有標準化，因此目前不會構成對CAN的威脅。

　　TTCAN與CAN的不兼容，使它在經濟上不能充分利用CAN的資源，所以它也不是CAN的好的升級方案。

參考文獻

[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]? 楊福宇. CAN總線的局限[J]. 電子設計應用,2006(11):32, 34.