TTCAN協(xié)議在智能照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

章瀾嵐 馬小軍 蔣月紅

（南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

TTCAN協(xié)議在智能照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

章瀾嵐 馬小軍 蔣月紅

（南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

智能照明系統(tǒng)是自動化技術(shù)在照明控制領(lǐng)域的應(yīng)用推廣?；贑AN總線的智能照明控制系統(tǒng)已經(jīng)逐步在市場推廣，而針對CAN通信網(wǎng)絡(luò)中低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸延遲較大、存在實時性和確定性較差的問題，提出了基于時間觸發(fā)的TTCAN協(xié)議，給出了由主節(jié)點和多個從節(jié)點構(gòu)成的TTCAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，介紹了一種優(yōu)化的均勻調(diào)度算法的設(shè)計和應(yīng)用。試驗結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)的CAN網(wǎng)絡(luò)相比，TTCAN網(wǎng)絡(luò)照明控制系統(tǒng)提高了總線利用率，并在一定程度上提高了系統(tǒng)的實時性。

傳感器 智能照明 TTCAN 算法 通信

0 引言

控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信［1］。CAN總線作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本較低的網(wǎng)絡(luò)通信控制方式，近年來被廣泛用于汽車、航空、安防、工程機械、醫(yī)療器械、樓宇自動化等領(lǐng)域。在照明控制方面，美國的立維騰公司生產(chǎn)的照明控制系統(tǒng)就是基于CAN總線協(xié)議。立維騰公司稱之為Lcent總線?；贚cent總線的Dimensions智能照明系統(tǒng)有三個系列：D3200、D4200、D8000，這三個系列均能夠很好地應(yīng)用于會議室、商場、體育館等不同場合［2－3］。

本文在研究了現(xiàn)有的CAN總線照明控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用TTCAN協(xié)議設(shè)計智能照明控制系統(tǒng)，旨在提高系統(tǒng)的實時性和確定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為本控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，包括一個主控節(jié)點模塊和多個從節(jié)點模塊。系統(tǒng)選用Atmel公司的AT89C51CC03來完成總線架構(gòu)。此單片機內(nèi)含CAN控制器，并且內(nèi)部CAN控制器支持時間觸發(fā)功能，即這塊芯片既包括了微控制器芯片又包括了TTCAN控制器芯片，功能強大。兩者合一，能夠很大程度上減少多余的線束，簡化電路，節(jié)約開發(fā)成本［4］。

圖1 照明控制系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of the lighting control system

PC控制臺由PC機、AT89C51CC03以及相應(yīng)的軟件組成，主要任務(wù)是完成TTCAN協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的通信調(diào)度，作為一個時間主機發(fā)送參考報文，同步系統(tǒng)時間。人機界面的操作都集中在主節(jié)點中。使用時，PC控制臺根據(jù)需要向各從節(jié)點的控制器發(fā)出控制信號。AT89C52CC03中的微控制器及TTCAN控制器根據(jù)已設(shè)置的調(diào)度信息，可滿足實時調(diào)度需求；同時，還能接收各控制器發(fā)來的各種狀態(tài)信息并顯示，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

從節(jié)點的照明控制節(jié)點硬件原理圖如圖2所示。從節(jié)點只需滿足與主節(jié)點時間同步，從節(jié)點的通信模塊與主節(jié)點相同，采用相同的芯片來實現(xiàn)。另外，從節(jié)點還需要負(fù)責(zé)與各個照明模塊進行信息通信。在系統(tǒng)運行前，時間調(diào)度表已經(jīng)下載到各個從節(jié)點上，每個報文動作都有一個時間標(biāo)記來標(biāo)注，從節(jié)點只需比照自己的時間標(biāo)記與主節(jié)點發(fā)送的系統(tǒng)循環(huán)時間是否相同，若相同就觸發(fā)節(jié)點的動作，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)或接收信息［5］。

圖2 照明控制節(jié)點硬件圖Fig.2 Hardware of the lighting control node

2 TTCAN原理與實現(xiàn)

2.1 TTCAN協(xié)議分析

TTCAN是在CAN的基礎(chǔ)上融入了時間觸發(fā)機制，任何動作是由一個時間（全局同步）序列決定的。它將消息周期分成若干時間段，同時分配給各個節(jié)點，形成調(diào)度時刻表?？偩€上各個節(jié)點嚴(yán)格遵照該時刻表在各自的時間段中進行 CAN數(shù)據(jù)收發(fā)［6］。TTCAN擴展協(xié)議分為兩層：第一層子協(xié)議提供基本的時間觸發(fā)服務(wù)，第二層子協(xié)議是第一層的擴展，提供全局時間（global time）及不同TTCAN網(wǎng)絡(luò)間同步服務(wù)［7］。消息是在一個固定的連續(xù)時間窗中傳輸。完整的傳輸時序組織叫做矩陣周期（matrix cycle，MC）。MC由基本周期（basic cycle，BC）組成，每個參考消息的起始位是由時間主節(jié)點開始傳送的。每個發(fā)送列（transfer column，TC）或時間窗口的開始都有時間標(biāo)記（time marker，TM），因此系統(tǒng)中消息的發(fā)送是以固定的傳輸順序進行的。

2.2 調(diào)度算法設(shè)計

TTCAN調(diào)度算法就是要研究矩陣周期的整體結(jié)構(gòu)，并將消息合理安排到各個時窗。對于事件觸發(fā)的消息，一個偶發(fā)事件的最佳反應(yīng)時間，可以在CAN系統(tǒng)的仲裁機制里實現(xiàn)。因此，在TTCAN調(diào)度的情況下，仲裁的時間窗的分配必須精心設(shè)計，因為它對非周期消息的響應(yīng)時間具有重要的影響。另外由于仲裁機制所遇到的延遲，非周期消息的響應(yīng)時間也取決于獨立時間窗的分配。獨立時間窗口的分配方法有兩種，即集中分配和分散分配。其中，集中分配會引入大量非周期消息的阻塞時間窗［8］。

均勻裝載算法［9］是TTCAN矩陣調(diào)度算法的經(jīng)典應(yīng)用。本文采用一種優(yōu)化的均勻裝載算法來設(shè)計系統(tǒng)矩陣，具體步驟如下。

①將消息按周期從小到大進行排列，周期集合為T={T1，T2，…，TN}，矩陣周期TMC為所有消息周期的最小公倍數(shù)，基本周期TBC為所有消息的最大公約數(shù)，比較消息周期TN和矩陣周期TMC，計算消息在MC中的重復(fù)周期。

②若TN＜TMC，計算TMC/TN，若結(jié)果是一個整數(shù)N，那么消息在獨立時間窗中的傳輸次數(shù)為N。相反，若TN＞TMC，計算TN/TMC，若結(jié)果仍是整數(shù)Nm，即表示一個周期消息將在一個MC中重復(fù)發(fā)送Nm次。這種情況下，調(diào)度消息可以無抖動地傳輸。

③如果TN＞TMC，但其結(jié)果不是整數(shù)，這種情況下消息不可能無抖動地進行傳輸。此時計算最大公約數(shù)T′N=GCD（TMC，TN）。計算得到的T′N值為獨立窗口的重復(fù)周期。周期消息在MC中的獨立窗中重復(fù)的次數(shù)由TMC除以獨立窗口的重復(fù)周期得到，即TMC/T′N。例如，若TMC=40ms、TN=100 ms，所得獨立窗口重復(fù)周期為20ms，并且MC中獨立窗口的重復(fù)數(shù)為2。若TN＜TMC，則用最小公倍數(shù)策略來計算其在矩陣周期中獨立時間窗的重復(fù)數(shù)。

④計算仲裁窗的持續(xù)時間。當(dāng)計算得到所有消息的重復(fù)次數(shù)和獨立時間窗周期后，其仲裁時間窗的持續(xù)相應(yīng)地可以由式（1）求得：

若計算得到的tWA不是一個整數(shù)，則仲裁窗的持續(xù)時間可以由式（2）求得：

式中：NWA為仲裁窗口數(shù)；∑tmm為一個BC中消息周期窗的總持續(xù)時間。

⑤對于列的優(yōu)化，每個周期消息被分配在一列中具有等于或接近消息大小的位置。這種算法的引入使得非周期消息的阻塞時間降低到最小，對系統(tǒng)的響應(yīng)時間有著顯著的影響。

根據(jù)上述步驟可將消息進行規(guī)劃，得到最終的調(diào)度表即矩陣周期。根據(jù)此算法設(shè)計的矩陣周期，使得當(dāng)消息周期不是矩陣周期的整數(shù)倍時，消息也可以在抖動容限內(nèi)進行調(diào)度；且使得TTCAN協(xié)議在更多不同的系統(tǒng)中也能實現(xiàn)消息調(diào)度的實時性及更大的總線利用率。因此，本文在搭建實際的照明控制系統(tǒng)之前，可以先將其中的多節(jié)點通信系統(tǒng)在CANoe軟件中搭建模型，裝載已設(shè)計的調(diào)度表，進行網(wǎng)絡(luò)性能的仿真分析。

2.3 調(diào)度算法仿真驗證

2.3.1 CANoe下TTCAN通信系統(tǒng)設(shè)計

CANoe下的混合動力車TTCAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型如圖3所示，其結(jié)構(gòu)為總線式。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型Fig.3 Network topologicalmodel based on CANoe

源節(jié)點配置如表1所示，配置的參數(shù)包括總線波特率及節(jié)點啟動時間。

表1 源節(jié)點信息列表Tab.1 Inform ation list of the source node

發(fā)送消息流程圖如圖4所示。

圖4 發(fā)送消息流程圖Fig.4 Flowchart of transmission messages

當(dāng)在CANoe上將系統(tǒng)模型建立起來之后，配置源節(jié)點信息，將Ecu1設(shè)置為主節(jié)點，只發(fā)送參考消息，其余3個節(jié)點只發(fā)送一條消息，消息周期如表1所示。在CANoe中用CAPL編程，其中時間主節(jié)點的軟件流程圖如圖4（a）所示。該模塊對總線計時，每隔10ms對時鐘復(fù)位，從而控制參考消息的發(fā)送周期。其他節(jié)點發(fā)送其余消息的流程圖如圖4（b）所示，其中Ecu4消息周期為40ms，因此時間標(biāo)記為40ms，定時為40ms。為體現(xiàn)系統(tǒng)仿真的真實性，設(shè)系統(tǒng)抖動性為5％。

編譯并運行系統(tǒng)，借助CANoe的各功能窗口，得到實際發(fā)送周期圖如圖5所示。Ecu1發(fā)送參考消息的周期如圖5（a）所示，Ecu4的發(fā)送周期如圖5（b）所示。由圖5可以看出，抖動范圍在±2ms之內(nèi)，實時性良好。

圖5 實際發(fā)送周期圖Fig.5 The actual transmission cycle

2.3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計由兩部分組成。

其一為基于AT89C51CC03的通信系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括AT89C51CC03中CAN的初始化、中斷、接收/發(fā)送報文設(shè)計，TTCAN模式中的基本時間單元的建立，循環(huán)時間單元的建立，裝載有TTCAN時間調(diào)度表的系統(tǒng)矩陣的設(shè)計。該部分的設(shè)計主要完成主節(jié)點從各個照明子節(jié)點中獲取信息，并根據(jù)調(diào)度表的需求向從節(jié)點發(fā)送控制命令。

其二為照明子節(jié)點對照明系統(tǒng)中的照度傳感器、紅外傳感器等進行控制，實現(xiàn)燈光的自動啟停、延時和定時等功能。

系統(tǒng)運行前，時間調(diào)度表已提前下載到各個節(jié)點上，主節(jié)點作為時間主機發(fā)送參考時間標(biāo)記，從節(jié)點上每個報文都有一個時間標(biāo)記來標(biāo)注。在通信過程中，從節(jié)點只需比照自己的時間是否與主節(jié)點發(fā)出的參考

本文針對應(yīng)用于智能家居環(huán)境的定向擴散協(xié)議，提出了改進算法。改進算法在路徑處理上提高了效時間標(biāo)記相同即可觸發(fā)相應(yīng)操作。由此可見，采用基于TTCAN協(xié)議的智能照明控制系統(tǒng)相較于CAN總線所設(shè)計的照明系統(tǒng)來說，具有更大的靈活性，而且TTCAN協(xié)議中的時間同步所指定的級別 2允許TTCAN同步且連接到其他網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的混合連接。這一方面的優(yōu)勢也使得TTCAN協(xié)議具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 結(jié)束語

在以CAN總線照明控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上引入TTCAN協(xié)議，以時間觸發(fā)為基礎(chǔ)，改善了照明控制系統(tǒng)的實時性和總線利用率。利用TTCAN協(xié)議中時間調(diào)度表的嵌入式設(shè)計，采用優(yōu)化的均勻調(diào)度算法來提高系統(tǒng)消息傳輸?shù)难舆t性能，使得消息能在既定的消息周期內(nèi)完成傳輸，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜上所述，基于TTCAN協(xié)議的智能照明控制系統(tǒng)有其獨特優(yōu)勢，值得我們繼續(xù)深入研究。

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Application Research on the TTCAN Protocol in Intelligent Lighting Control System

The intelligent light system is the applicable promotion of automation technology in lighting control field.The intelligent lighting control system based on CAN bus has been gradually promoted in themarket，while there are some disadvantages in CAN communication network，e.g.，low priority data latency，poor real time performance and deterministic，etc.Aiming at this situation，the TTCAN protocolbased on time triggering is proposed，and the hardware structure of TTCAN network system which is composed ofmain node andmultiple slave nodes is given.The design and application of the optimized uniform scheduling algorithm are introduced，comparingwith standard CAN network，the TTCAN network lighting control system enhances the utilization of bus and improves the real time performance of system in certain extent.

Sensor Intelligent lighting TTCAN Algorithm Communication

TP306

A

修改稿收到日期：2014－01－03。

章瀾嵐（1989－），女，現(xiàn)為南京工業(yè)大學(xué)建筑智能化專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事智能照明控制及其應(yīng)用研究。