機(jī)載TTCAN總線應(yīng)用性研究

連強(qiáng)強(qiáng)+李國星

摘 要 在CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，介紹一種實(shí)時(shí)性更高的現(xiàn)場總線TTCAN總線，詳細(xì)分析了該型總線的協(xié)議和工作機(jī)制，并提出了基于TTCAN總線的機(jī)載測試系統(tǒng)架構(gòu)及其GPS授時(shí)同步的模式，使之更加適用于機(jī)載應(yīng)用環(huán)境。

關(guān)鍵詞 CAN總線；TTCAN總線；分布式；時(shí)間同步

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）07-0062-01

TTCAN總線是為解決在CAN總線的實(shí)時(shí)性問題，而提出的一種高速實(shí)時(shí)現(xiàn)場總線。由于CAN總線是基于事件觸發(fā)型的現(xiàn)場總線，CAN節(jié)點(diǎn)按照彼此的優(yōu)先級(jí)來競爭總線，那么將會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)被延遲發(fā)送。在實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的環(huán)境下，CAN總線的這種固有延遲是不允許的。因此，為解決CAN總線這一實(shí)時(shí)性問題，在CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層之上，提出了一種基于時(shí)間觸發(fā)型的高層應(yīng)用協(xié)議，即TTCAN總線協(xié)議。本文將重點(diǎn)論述TTCAN總線在機(jī)載環(huán)境下的技術(shù)應(yīng)用。

1 TTCAN總線協(xié)議

TTCAN總線協(xié)議是建立在CAN總線協(xié)議之上的一種高層應(yīng)用協(xié)議，它保留了CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，總線節(jié)點(diǎn)均在時(shí)間調(diào)度表的管理下進(jìn)行分時(shí)同步通信?？偩€節(jié)點(diǎn)得到時(shí)間同步后，在規(guī)定的時(shí)間間隙內(nèi)發(fā)送消息塊，分時(shí)占用總線，從而避免了總線競爭，使數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性得到了提高，并可預(yù)知各節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲。因此，TTCAN總線不僅高效利用了CAN的數(shù)據(jù)帶寬，并使傳輸延遲短且可預(yù)知，非常適合作為機(jī)載數(shù)據(jù)采集總線。

實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間觸發(fā)的通訊機(jī)制，TTCAN必須提供一個(gè)公共的時(shí)間參考標(biāo)準(zhǔn)，通過主節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)布參考時(shí)間來實(shí)現(xiàn)周期性的時(shí)間同步，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到參考時(shí)間后，將啟動(dòng)本地時(shí)間，從而啟動(dòng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸周期。TTCAN時(shí)間調(diào)度表如圖1所示，時(shí)間調(diào)度表可以采用矩陣形式描述，一個(gè)矩陣周期可以由若干基本周期構(gòu)成，每個(gè)基本周期開始于參考消息，結(jié)束下一個(gè)參考消息?；局芷趦?nèi)可以包含不同類型時(shí)間窗口，獨(dú)占時(shí)間窗、自由時(shí)間窗和仲裁時(shí)間窗。獨(dú)占時(shí)間窗用于周期性的數(shù)據(jù)交換，自由時(shí)間窗用于系統(tǒng)擴(kuò)展，仲裁窗用于傳輸標(biāo)準(zhǔn)的CAN消息傳輸[1，2]。

圖1 系統(tǒng)矩陣結(jié)構(gòu)圖

2 TTCAN總線的同步機(jī)制

TTCAN總線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸需要同步和精確計(jì)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間采用晶振分頻計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到幀起始位時(shí)將本地時(shí)間載入同步寄存器，當(dāng)確認(rèn)收到基準(zhǔn)消息的起始位后將同步點(diǎn)寄存器的值載入基準(zhǔn)點(diǎn)寄存器，那么消息段傳輸?shù)臅r(shí)間就是本地時(shí)間與基準(zhǔn)時(shí)間的差值。該部分由CAN控制器硬件自動(dòng)完成[3]。

TTCAN網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)擁有共同的時(shí)間基準(zhǔn)，即全局時(shí)間。TTCAN主機(jī)向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送基準(zhǔn)消息時(shí)，應(yīng)先捕捉全局時(shí)間計(jì)時(shí)值，并將計(jì)時(shí)值發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)，這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)成為主基準(zhǔn)點(diǎn)。從節(jié)點(diǎn)在接收到基準(zhǔn)消息后提取基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并與本地基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)求差得到本地計(jì)時(shí)偏差，再將這個(gè)偏差值與本地時(shí)間相加即可獲得TTCAN主機(jī)節(jié)點(diǎn)同步的全局時(shí)間，從而獲得時(shí)間同步。

3 基于TTCAN總線的分布式機(jī)載測試系統(tǒng)構(gòu)架

機(jī)載測試中應(yīng)變與振動(dòng)測量存在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求高、測點(diǎn)位置分布范圍分散的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的測試方法有兩種，一種是將每個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集到后送至數(shù)據(jù)采集器的獨(dú)立通道，每個(gè)通道只采集一個(gè)參數(shù)，因此對(duì)資源消耗巨大；另一種是采用專用總線采集，本文提出了基于TTCAN總線的分布式機(jī)載測試系統(tǒng)構(gòu)架方案。

TTCAN總線固有的周期性時(shí)間觸發(fā)的通訊機(jī)制，在兼顧通訊帶寬的同時(shí)具有更高的實(shí)時(shí)性，非常適合作為機(jī)載測試局部傳輸總線。但是TTCAN總線的同步機(jī)制主要采用內(nèi)同步，TTCAN主機(jī)和節(jié)點(diǎn)的計(jì)時(shí)偏差難以補(bǔ)償，同步精度不能得到有效保證。本文將采用GPS外部授時(shí)對(duì)TTCAN的全局時(shí)間進(jìn)行同步，如圖2所示。TTCAN主機(jī)獲得GPS發(fā)送的同步脈沖，將產(chǎn)生本地計(jì)時(shí)時(shí)間，并向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送參考時(shí)間幀，從而使各個(gè)節(jié)點(diǎn)與TTCAN主機(jī)的時(shí)間保持同步，從而實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)和分時(shí)通信功能。

圖2 TTCAN機(jī)載環(huán)境下的時(shí)間同步

由于TTCAN總線保留了CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并在CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，實(shí)現(xiàn)了更高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸，本文將TTCAN總線作為機(jī)載測試分布式測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，并構(gòu)建了如圖3所示的系統(tǒng)構(gòu)架，前端數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)送入各個(gè)TTCAN節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)按照TTCAN協(xié)議將數(shù)據(jù)通過分時(shí)占用總線的方式傳輸給TTCAN主節(jié)點(diǎn)，TTCAN主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)解碼并進(jìn)行PCM編碼，從而發(fā)送至數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。TTCAN主節(jié)點(diǎn)將獲得機(jī)載GPS的同步授時(shí)，從而使TTCAN總線獲得全局時(shí)間和本地時(shí)間的全局同步，從而實(shí)現(xiàn)分時(shí)觸發(fā)通訊傳輸功能。

圖3 機(jī)載TTCAN總線構(gòu)架

4 總結(jié)

本文從CAN總線實(shí)時(shí)性方面出發(fā)，提出了TTCAN總線，詳細(xì)分析了它的工作機(jī)制和同步原理，進(jìn)而提出了基于GPS同步的TTCAN總線。最后，本文設(shè)計(jì)了基于TTCAN總線的機(jī)載分布式測試系統(tǒng)架構(gòu)，分析了其工作的機(jī)制。綜上所述，TTCAN總線完全可以作為機(jī)載局部數(shù)據(jù)采集總線，適合分布式應(yīng)變、振動(dòng)等數(shù)據(jù)的傳輸。

參考文獻(xiàn)

[1]任謙等.基于標(biāo)準(zhǔn)總線的CAN總下的TTCAN總線協(xié)議淺析[J].儀器儀表用戶，2006，13（6）：92-93.

[2]孟慶棟，等.MCP2515在TTCAN協(xié)議Level 1節(jié)點(diǎn)中應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（2）：273-274.

[3]劉強(qiáng)，等.基于時(shí)間觸發(fā)的TTCAN協(xié)議[J].自動(dòng)化儀表，2008，29（1）：31-39.

作者簡介

連強(qiáng)強(qiáng)（1986-），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：機(jī)載測試技術(shù)。

李國星（1981-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：機(jī)載測試技術(shù)。endprint