CAN与TTCAN通信延迟时间的分析.pdf

ISSN 100020054 CN 1122223 N 清华大学学报 自然科学版 J Tsinghua U niv Sci 教育部留学回国人员科研启动基金资助项目 作者简介 李佳 19812 男 汉 辽宁 硕士研究生 E2mail lijia00 mails tsinghua edu cn 通讯联系人 朱元 讲师 E2mail yzhu tsinghua edu cn 摘 要 为了优化设计采用CAN TTCAN通信协议的通 信系统的应用层 需建立CAN TTCAN中各消息帧的通信 延迟时间的数学模型 分析消息帧的延迟时间 利用该文搭 建的通信系统仿真与开发试验平台 对不同网络负载下的通 信延迟时间进行试验 验证了延迟时间的数学模型 并比较 了多种因素对CAN TTCAN通信实时性的影响 结果表 明 负载较高时 消息帧的优先级对消息帧的延迟时间影响 较大 此时若采用CAN协议 低优先级的消息帧延迟时间 很大 若采用TTCAN协议 周期型消息的延迟时间基本不 变 事件型消息帧的延迟时间显著增加 关键词 通信实时性 延迟时间 CAN TTCAN 中图分类号 U 270 38 2文献标识码 A 文章编号 100020054 2006 0220261205 Response ti me analysis for CAN and TTCAN commun ications LIJ ia ZHU Yuan TI AN Guangyu State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy Department of Automotive Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China Abstract In order to optim ize the design of application layer in communication system s using the CAN and TTCAN protocols the responsetimeofagivenmessagerequiresevaluation A mathematical model was presented to evaluate the response time and then was validated experimentally The modelwas then used to evaluatetheinfluencesofmanyfactorsonthereal2time communication performance and characteristics of variousmessages The results show that for a large bus load priority of messages has a strong impact on real time performance of messages In this instance CAN messages w ith low priority have longer response time response ti me of TTCAN period messages is invariable and response time of event messages is distinctly increased Key words real2time performance response time CAN TTCAN 控制局域网络CAN是在20世纪80年代初 期 德国BOSCH公司为了解决汽车中众多的测量 与执行系统之间的数据通信问题而推出的串行数据 通信总线 中国的燃料电池城市客车动力系统中采 用CAN总线进行数据通信 1 为了解决分布式系 统的通信实时性问题 在2003年对CAN进行了扩 展 产生了利用时间触发的通信协议TTCAN 而在一个完善的汽车电子控制系统中 许多动 态信息必须与车辆控制同步 为了能够满足每个控 制单元的实时性要求 在采用以上两种通信协议的 通讯系统的应用层设计阶段需要有一个数学模型对 协议中各消息帧的延迟时间有一定的预估 使之达 到要求 保证车辆安全 稳定地行驶 1 通信实时性理论分析 衡量通信实时性的指标是通信的延迟时间 即 从消息产生时刻到将消息帧中的有效数据提供给目 标任务的时刻 1 1 CAN与TTCAN的仲裁机制 当CAN总线有消息帧传送时 其他消息帧要 等到此消息帧发送完毕才能发送 当总线开放时 任 何单元均可开始发送消息帧 若同时有两个或更多 的单元开始发送 总线访问冲突运用逐位仲裁原 则 2 标识符越低的消息帧优先级越高 在TTCAN的网络中 主节点会基于自己的时 间控制器发送包含有全局时间的参考帧 网络中的 所有节点与此全局时间同步 整个网络需要传输的 某些消息帧及其发送时间都预先定义 构成一个系 统矩阵 每两个参考帧之间的时间段称为一个基本 循环 它包含有多个时间窗口 这些时间窗口可以分 为三大类 独占时间窗 仲裁时间窗和空闲时间窗 其中独占时间窗里只允许某个特定的消息发送 仲 裁时间窗允许多个消息帧在这段时间内传送 它们 对总线的访问仍然基于优先级仲裁完成 空闲时间 窗用于以后系统的扩展 1 2 通信延迟 CAN的通信延迟时间划分为4个部分 见 图1 生成延迟 队列延迟 传输延迟 接收延迟 3 由于TTCAN是在标准CAN协议基础上建立的一 个高层协议 CAN的数据链路层和物理层并没有 改变 所以同样可以把TTCAN的通信延迟时间分 成与CAN相同的4个部分 图1 CAN的通信延迟 生成延迟 从发送节点处理器接收到本节点的 请求 到它将准备好的数据写入缓存队列里的时刻 队列延迟 从消息帧进入发送缓存到消息帧获 得总线控制权的时刻 传输延迟 从消息帧占据总线到消息帧脱离总 线的时刻 接收延迟 从消息帧脱离总线到将其中的有效 数据提供给接收节点微处理器中目标任务的时刻 按照现在的微处理器水平 生成延迟和接收延 迟可以忽略不计 故延迟时间 Rm 用队列延迟 tm 加传输延迟 Cm 来表示 Rm tm Cm 1 1 3 队列延迟的数学期望 1 3 1 CAN网络中消息帧的队列延迟的数学期望 队列延迟可以分为仲裁延迟和非仲裁延迟两部 分 仲裁延迟指两帧消息同时发送时 高优先级消息 帧造成低优先级消息帧的延迟 它包括在节点内部 的仲裁延迟和总线上的仲裁延迟两部分 非仲裁延 迟是由于总线上已有其他消息帧传输 造成该消息 帧的延迟 由于消息之间碰撞的随机性 故可以把队列延 迟看作一个随机变量 研究它的数学期望 用tm 表示 首先考虑仲裁延迟 对于理想的缓存无穷大的 CAN控制器来说 可以将节点内部的仲裁延迟和总 线上的仲裁延迟合为一体考虑 直接利用优先级排 序理论获得仲裁延迟的数学期望 3 4 tarbi j h m tm Jj bit Tj Cj 2 h m 表示优先级比m高的消息帧的集合 Tj代表 周期型消息帧j的传送周期 对于事件型传送的消 息 Tj代表的是这个消息帧两次传送时间间隔的 最小值 因为消息帧j不可能是非常严格地按照时 间周期Tj产生 所以用Jj代表消息帧j产生的最 大周期误差 Cj为消息帧j的传输延迟 将在后面 详细介绍 bit代表在传输介质上传送一个数据位 bit 所需要的时间 对于波特率250kbit s的网络 bit的值为4 s 下面分析非仲裁延迟的数学期望 任意一帧消 息在总线上的某一时间发送的概率密度为 1 Tj 考虑m在其占据总线后发送的情况 得到非仲 裁延迟的数学期望 tnonarbi j m cj 0 Cj t dt j m C 2 j 2Tj 3 由于两部分相互独立 相加后可以得到CAN 网络中的消息帧队列延迟的数学期望 tm tarbi tnonarbi j m C 2 j 2Tj j h m tm Jj bit Tj Cj 4 1 3 2 TTCAN网络中消息帧队列延迟的数学 期望 对于一个理想的TTCAN网络来说 周期型消 息和事件型消息分别在独占时间窗和仲裁时间窗中 发送 TTCAN周期型消息帧的发送不受其他消息帧 的影响 队列延迟为0 TTCAN事件型消息帧的队列延迟与前面的 CAN网络的队列延迟的分析方法类似 但需要另外 考虑TTCAN中独占时间窗对事件型消息帧造成 的影响 设事件型消息帧的集合是E 假设在整个系统矩阵中 事件型消息帧m的生 成时刻是平均分布的 若记它在任一时间点生成的 概率密度为 由概率论可知 1 Q T 5 262清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2006 46 2 式中 Q表示系统矩阵中的基本循环的个数 T表 示基本循环的周期 假设任意两个独占时间窗之间 独占时间窗与 自由时间窗之间 都是不连续的 这符合TTCAN 系统矩阵布置特点 当事件型消息帧m在某个独 占时间窗i内生成时 它必须要延迟到随后的某个 仲裁时间窗才可能发送 由此引起的延迟时间的数 学期望记为gi 则由概率论可以得到 gi W i Cm 0 Wi Cm t dt 1 2 Wi Cm 2 6 由式 5 可得 gi Wi Cm 2 2Q T 7 消息帧m受到独占时间窗和自由时间窗影响而造 成的延迟时间的数学期望值Gm为 5 Gm Z i 1 gi Z i 1 Wi Cm 2 2Q T 8 式中 Z表示系统矩阵中独占时间窗和自由时间窗 的个数 Wi为独占时间窗 或自由时间窗 i的时间 长度 可以得到TTCAN通信网络中 事件型消息帧 m队列延迟的数学期望 即 tm j m j E C 2 j 2Tj Gm j h m j E tm Jj bit Tj Cj 9 1 4 传输延迟 传输延迟指的是从消息帧占据总线 到它脱离 总线的时刻 因为它只与消息帧自身和总线参数有 关 所以可以直接建立其数学模型 消息帧m的传 输延迟记为Cm 单个扩展数据帧和标准数据帧的 传输延迟分别表示为 6 Cm 64 8sm 54 8sm 5 bit Pcons 10 Cm 44 8sm 34 8sm 5 bit Pcons 11 这里sm代表数据帧中数据的字节数 它是一个0到 8之间的整数 bit表示位时间 Pcons是一个与物理 传输介质电气特性相关的常数 式 10 和 11 括号 中的第一项表示的是消息帧的仲裁场 控制场等固 定格式部分 第二项表示的是数据场的位长度 最后 一项表示的是因为位填充而增加的位长度 因为校 验场的定界符 应答场和帧结束是固定格式 不能加 入填充位 故在扩展数据帧及标准帧中最多有54位 及34位进行位填充 2 通信试验平台与仿真试验 为了验证上面提出的延迟时间的数学模型 自 行研究开发了CAN总线通信系统仿真与开发试验 平台 见图 2 2 1 试验平台功能分析与设计方案 试验平台的具体功能包括 模拟网络的拓扑结构 模拟总线参数 记录消息帧的发送和接收时刻 整个试验平台由三大系统和一个测试装置组 成 即 网络环境模拟系统 网络错误产生系统 网 络监控系统和部件ECU测试装置 图2 通信试验平台结构示意图 2 2 试验方案 模拟燃料电池城市客车的通信系统 总线上有 5个节点 见表1 每个节点分别发送周期型和事 件型两种消息帧 例 VCU 1为 周 期 型 消 息 VCU 2为事件型消息 标识符分别是1 2 改变网 络负载 10 20 30 在CAN和TTCAN通 信协议下进行试验 分析通信协议 网络负载和帧优 先级对延迟时间的影响 验证模型是否正确 362李 佳 等 CAN与TTCAN通信延迟时间的分析 表1 试验中的节点 节点缩写标识符 整车控制器VCU1 2 燃料电池FCU3 4 主DC DCDCCU5 6 电机控制器M CU7 8 电池管理系统BM S9 10 2 3 CAN协议的试验结果 1 周期型消息帧在不同网络负载下的通信延 迟时间试验 各节点依次 帧序号 发送200帧消息 得到各帧消息的延迟时间 如图3所示 VCU与其 他消息帧发生了多次碰撞 实验统计结果示于表2 图3 VCU1在30 网络负载下的延迟时间 表2 CAN网络周期型消息试验结果 网络负载 R m m sRm max m s尖峰数 100 6141 1437 200 6261 16516 300 6351 15125 从表2中可以发现随着负载的升高 尖峰数量 越来越多 说明该消息帧与其他消息帧发生碰撞的 次数增加 延迟时间数学期望值增加 在不同负载下 的最大延迟时间相近 这是因为VCU 1是优先级最 高的消息帧 只有其他消息提前占据总线才能使它 延迟 它的仲裁延迟为0 2 事件型消息帧在不同网络负载下的通信延 迟时间试验 也是由各节点依次发送200帧消息得 到各帧消息的延迟时间 如图4所示 碰撞造成的延 迟更加明显 实验统计结果示于表3 从表3中仍然可以发现负载升高 尖峰增加 延 迟时间的数学期望值增大 在不同负载下 延迟时间 的最大值相差较大 BM S2是优先级最低的消息 帧 当网络负载较高时 需要较长时间排队等待总线 空闲 才能发送消息帧 队列延迟时间中的仲裁延迟 时间明显增大 这种情况对车辆控制实时通信极为 不利 图4 B M S2在30 网络负载下的延迟时间 表3 CAN网络事件型消息试验结果 网络负载 R m m sRm max m s尖峰数 100 6231 95015 200 7002 72125 300 8033 77931 2 4 TTCAN协议的试验结果 1 周期型消息帧在不同网络负载下的通信延 迟时间试验 结果见表4 表4 TTCAN网络周期型消息试验结果 网络负载 R m m sRm max m s尖峰数 100 5930 6060 200 5900 6040 300 5950 6130 从表4中可以看出 不同的网络负载下 周期型 消息帧的延迟时间很稳定 这种特点对实时分布系 统的设计带来很大的方便 对于预测系统的消息的 延时和系统控制也有相当大的好处 2 事件型消息帧在不同网络负载下的通信延 迟时间试验 结果见表5 表5 TTCAN网络事件型消息试验结果 网络负载 R m m sRm max m s尖峰数 100 8232 26424 200 8772 41944 301 0513 24153 从表5中可以看出 与CAN中的事件型消息 图像相比 TTCAN的事件型消息在同样的负载下 尖峰更多 说明由于增加了独占时间窗 事件型消息 帧延迟时间增大 3 模型与试验结果的比较 1 采用CAN协议通信网络的模型和试验结果 比较 在10 负载下的比较结果见图5 462清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2006 46 2 图5 在10 负载下CAN延迟时间 从图5中可以看出 模型结果与试验结果基本 一致 模型结果比试验结果略大 这是由于以下两方 面因素造成的 a 模型中计算Cm时 每5位之间都进行了位 填充 考虑的是Cm可能的最大值 而试验中的数据 帧中不需要这么多填充位 b 模型中事件型消息的Tj是两帧消息的最小 间隔 而在实际试验中这个间隔都大于Tj 这也会 使试验结果小于模型结果 2 采用TTCAN协议通信网络的理论和试验结 果比较 在10 30 负载下的比较结果见图6 7 图6 在10 负载下TTCAN延迟时间 图7 在30 负载下TTCAN延迟时间 从图6 7可以看出 试验结果和模型结果基本 一致 同时存在一定偏差 其中原因与前面CAN协 议的原因相似 4 结 论 试验证明本文建立的延迟时间数学期望模型与 试验结果基本相符 可用此模型来分析基于CAN TTCAN协议的通信系统的延迟时间 研究表明 TTCAN协议虽然可以保证周期型消息帧的延迟时 间 但是其事件型消息帧延迟时间比CAN协议大 负载较低时 消息帧的优先级对消息的延迟时间影 响有限 但在网络负载非常大的情况下 高优先级消 息帧的优势能体现出来 低优先级消息可能有很大 的延迟 CAN网络协议中低优先级消息在网络负 载较高时 延迟时间的数学期望及最大值均较高 而TTCAN中周期型消息的延迟时间基本不变 事 件型消息帧随负载的增加延迟时间明显增加 参考文献 References 1 ZHU Yuan WU Hao T I AN Guangyu et al Control and communication network in hybrid fuel cell vehicles J T singhua S cience and T echnology 2004 9 3 345350 2 阳宪惠 现场总线技术及其应用 M 北京 清华大学出版 社 1999 YANG Xianhui FieldBus Technology andApplication M Bei