基于TTCAN多級網(wǎng)絡(luò)時鐘同步與加載方案研究

曹云飛　王寧　夏天乾

【摘? 要】針對TTP分布式實時控制系統(tǒng)在節(jié)點較多且存在部分節(jié)點功能簡單時，大量使用TTP節(jié)點將使系統(tǒng)成本急劇上升的問題，論文基于TMS320F28335設(shè)計了一種多主節(jié)點余度、高可靠、高同步精度的時間觸發(fā)TTCAN總線，并將其作為TTP總線網(wǎng)絡(luò)的補充子網(wǎng)，實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)時鐘同步與時間觸發(fā)，滿足高可靠、高確定性大型分布式實時控制系統(tǒng)的控制、同步、加載與成本要求，具有重要的工程應(yīng)用價值。

【Abstract】In view of the problem of TTP distributed real-time control system when there are many nodes and some nodes have simple functions， using a large number of TTP nodes will cause the system cost to rise sharply， based on TMS320F28335， this paper designs a time-triggered TTCAN bus with multi-master nodes redundancy， high reliability and high synchronization precision， and uses it as a supplementary subnet of TTP bus network to realize clock synchronization and time triggering， to meet the requirements of control， synchronization， loading and cost of large-scale distributed real-time control system with high reliability and high certainty. It has important engineering application value.

【關(guān)鍵詞】TTCAN總線;TTP總線;分布式控制;分布式加載

【Keywords】TTCAN bus; TTP bus; distributed control; distributed loading

【中圖分類號】TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）02-0145-03

1 引言

TTP作為一種性能優(yōu)異的時間觸發(fā)總線，在高性能控制領(lǐng)域得到認可，但其高昂的成本也限制了其在一些成本敏感的領(lǐng)域的推廣。CAN總線作為分布式成熟的解決方案，在汽車電子領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，然而傳統(tǒng)的CAN總線基于事件觸發(fā)，信息傳輸時間和優(yōu)先級倒置的不確定性是其固有的缺點[1]。為了滿足對實時性和通信能力不斷增長的要求，有必要提高CAN總線的實時性。本文基于TMS320F28335處理器，將傳統(tǒng)CAN和時間觸發(fā)機制結(jié)合設(shè)計了一種多主節(jié)點TTCAN實現(xiàn)方案，并將其作為TTP網(wǎng)絡(luò)的補充，能夠保證全網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步與加載，綜合考慮了節(jié)點硬件成本與高確定性通信技術(shù)指標的平衡，有著重要的工程應(yīng)用價值。

2 總線方案設(shè)計

2.1 總線拓撲結(jié)構(gòu)

在高可靠、高確定分布式控制系統(tǒng)上，大多以TTP網(wǎng)絡(luò)為主干網(wǎng)絡(luò)。然而當(dāng)前工控機并沒有成熟TTP板卡用于接入TTP網(wǎng)絡(luò)，且TTP節(jié)點成本昂貴，若在功能簡單的節(jié)點上廣泛使用TTP模塊，將使得系統(tǒng)成本急劇上升。因此本文設(shè)計了如圖1所示的TTCAN三級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對TTP網(wǎng)絡(luò)進行補充，實現(xiàn)性能與成本的平衡。在如圖1所示的三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，第一級為監(jiān)視工控上位機的UDP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)TTP網(wǎng)絡(luò)，使用節(jié)點UDP2TTP節(jié)點橋接，實現(xiàn)監(jiān)視上位機和TTP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互;第二級網(wǎng)絡(luò)為TTP網(wǎng)絡(luò)，由多個TTP節(jié)點構(gòu)成，其中TTP2TTCAN_1和TTP2TTCAN_2節(jié)點實現(xiàn)了TTP網(wǎng)絡(luò)向TTCAN網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換;第三級網(wǎng)絡(luò)由多個TTCAN節(jié)點構(gòu)成。

2.2 TTCAN總線同步方案設(shè)計

TTCAN總線的時鐘同步可分為通過參考幀觸發(fā)中斷同步和通過參考幀攜帶時鐘信息進行同步。在硬件資源緊張的嵌入式實時控制設(shè)備上，除了實現(xiàn)TTCAN機制外，還需要進行其他復(fù)雜的計算，此時需要綜合考慮硬件資源的分配。本文基于美國德州儀器（TI）的TMS320F28335微處理器硬件平臺實現(xiàn)TTCAN協(xié)議，考慮TMS320F28335平臺兼具其他高實時任務(wù)的處理，因此本文TTCAN同步采用參考幀觸發(fā)中斷同步的方案。

時間觸發(fā)總線一般用于高安全性、高確定性的應(yīng)用場景[2]，然而TTCAN總線卻存在一個不足：TTCAN網(wǎng)絡(luò)完全依賴參考幀同步，在主節(jié)點故障時，整個網(wǎng)絡(luò)將癱瘓。為保證TTCAN的可靠性，本文提出了一種多主節(jié)點方案，在圖1總線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖中，二、三級網(wǎng)絡(luò)使用兩個TTP轉(zhuǎn)TTCAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點TTP2TTCAN_1和TTP2TTCAN_2進行橋接，這兩個節(jié)點兼具TTCAN主節(jié)點的功能，其中一個作為主節(jié)點，另外一個作為備份主節(jié)點。主、備份主節(jié)點總線消息如圖2所示，正常工作時，主節(jié)點發(fā)送參考幀，其他節(jié)點根據(jù)參考幀進行同步。在主節(jié)點異常時，備份節(jié)點將代替主節(jié)點發(fā)送參考幀，進行TTCAN網(wǎng)絡(luò)同步。

本文采用了備份主節(jié)點連續(xù)五次未收到參考幀，則認為主節(jié)點故障的策略，此時備份主節(jié)點將在參考幀時間槽替代主節(jié)點發(fā)送參考幀，而其他時間槽發(fā)送消息不變。該策略將存在兩種情況：①主節(jié)點真實故障，無法發(fā)送同步幀，此時備份節(jié)點將替代主節(jié)點進行參考幀發(fā)送;②備份主節(jié)點故障，無法接受主節(jié)點的參考幀信息，由于備份主節(jié)點故障，此時也將無法發(fā)送參考幀，不對原來的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成影響。因此，本文設(shè)計的TTCAN方案不僅保證了TTCAN網(wǎng)絡(luò)的同步精度，同時由于雙備份的設(shè)計，也保證了二級TTP網(wǎng)絡(luò)到三級TTCAN網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，極大地提高了系統(tǒng)的魯棒性。

2.3 軟件升級與維護

對于時間觸發(fā)分布式控制系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)部署完畢，將必然面臨軟件升級問題。軟件的升級可能是單節(jié)點軟件升級，也可能是整個系統(tǒng)級別的軟件升級。此時將面臨如何合理利用帶寬的問題。此時，若采用總線觸發(fā)模式進行點對點的加載，將必然造成總線帶寬的浪費。如對某一個節(jié)點進行程序加載時，只能在其分配的時間槽與加載上位機進行數(shù)據(jù)交互，這將導(dǎo)致加載速度的低下。本文采取充分利用總線物理層的方式，合理利用TTP網(wǎng)絡(luò)RS485物理層，在進入加載模式時將TTP切換為RS485模式進行加載。對于TTCAN網(wǎng)絡(luò)，其物理層為CAN網(wǎng)絡(luò)，在加載模式時直接切換為CAN模式。這樣既可保證在不變更硬件和時序規(guī)劃的前提下實現(xiàn)總線加載，同時保證總線加載的性能。

3 TTCAN性能驗證

本文設(shè)計的TTCAN主節(jié)點時序規(guī)劃矩陣如表1所示，表1中共計9個時間槽，每個時間槽有相應(yīng)的消息ID。除參考幀外，每個時間槽的寬度為200us，其中slot2、slot4、slot6為主節(jié)點發(fā)送時間槽，其他時間槽為主節(jié)點接收，備份或從節(jié)點發(fā)送時間槽。如slot1在主節(jié)點時序規(guī)劃矩陣中為接收，在備份主節(jié)點時序規(guī)劃矩陣中為發(fā)送，表示主節(jié)點在slot1時間槽接收備份主節(jié)點的數(shù)據(jù)。

對本文設(shè)計的TTCAN總線進行時序邏輯測量，其時序邏輯如圖3所示。在圖3中，我們可以看到一段長度較短的參考幀RefMsg消息區(qū)，其攜帶一個字節(jié)長度的數(shù)據(jù)，表示當(dāng)前參考幀處于表1中的第幾列。其他節(jié)點收到參考幀后觸發(fā)中斷，將自身時序調(diào)整到時序規(guī)劃矩陣中相同的位置完成節(jié)拍同步。圖3中還存在大量寬度均勻的交互消息，測量結(jié)果顯示這些消息的起始時間相差200us，與TTCAN總線設(shè)計的slot寬度一致。因此本文設(shè)計的TTCAN能夠?qū)崿F(xiàn)時間觸發(fā)，具有較高的觸發(fā)精度。

本文對TTCAN的總線進行負載率測試，其測量結(jié)果如圖4所示。圖4的左側(cè)為總線上實際發(fā)送的數(shù)據(jù)，對于每一個寬度為200us的時間槽，總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)長度均為8個字節(jié)，為CAN協(xié)議的最長報文。而在圖4右側(cè)，總線的最大負載率為58.40%，最小為58.39%，平均為58.39%，該負載率穩(wěn)定且在合理的范圍內(nèi)。因此TTCAN能夠合理地規(guī)劃總線，均衡負載避免總線沖突，具有非常高的確定性。

對于本文設(shè)計的多余度TTCAN主備節(jié)點的方案，設(shè)計如下驗證實驗：①傳統(tǒng)的單主節(jié)點的方案，將主節(jié)點斷電模擬主節(jié)點故障，此時由于所有的從節(jié)點必須接收到參考幀后才會發(fā)送自身的消息，這導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓無數(shù)據(jù)交互;②主備節(jié)點方案，在主節(jié)點斷電模擬主節(jié)點故障時，其測量結(jié)果如圖5所示，總線上將無主節(jié)點的消息（消息ID為0x200、0x400和0x600），此時備份節(jié)點轉(zhuǎn)換為主節(jié)點發(fā)送參考幀（消息ID為0）驅(qū)動整個網(wǎng)絡(luò)同步，確保非故障節(jié)點的正常消息交互。因此，本文設(shè)計的多余度主備節(jié)點方案相對但單主節(jié)點的方案，可靠性和魯棒性具有極大的提升。

根據(jù)以上實驗，可以得出：本文設(shè)計的TTCAN能夠按照既定的時序進行調(diào)度，實現(xiàn)良好的時間觸發(fā)通信;能夠確定性地均衡總線負載，避免總線競爭;能夠解決TTCAN主節(jié)點故障時導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)崩潰的缺陷，具備極高的可靠性與魯棒性，能夠滿足高質(zhì)量的確定性通信要求。

4 結(jié)語

本文在基于TMS320F28335硬件平臺設(shè)計與實現(xiàn)了TTCAN總線協(xié)議，提出了一種多主備節(jié)點的TTCAN網(wǎng)絡(luò)同步方案。通過總線邏輯信號分析驗證，該TTCAN方案能夠?qū)崿F(xiàn)良好的時間觸發(fā)通信，在合理的總線負載下避免總線競爭，極大地提高了TTCAN網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，能夠滿足其作為TTP網(wǎng)絡(luò)低成本子節(jié)點的確定性與通信要求。同時本文對TTP與TTCAN組成的分布式網(wǎng)絡(luò)進行了軟件加載研究，充分利用了兩種網(wǎng)絡(luò)的物理層特性，將時間觸發(fā)加載轉(zhuǎn)換為事件觸發(fā)。在無需更改總線時序規(guī)劃的前提下完全利用總線帶寬，極大地提高了總線加載速度。

【參考文獻】

【1】鮑官軍，計時鳴，張利，等.CAN總線技術(shù)、系統(tǒng)實現(xiàn)及發(fā)展趨勢[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003（01）：60-63+68.

【2】關(guān)學(xué)峰.CAN總線網(wǎng)絡(luò)的實時性能分析、改進和測試[D].成都：西華大學(xué)，2008.