时间触发CAN网络节点设计

1、    时间触发CAN网络节点设计    电子技术应用2007年第2期    韩晓东, 吴临政, 吴 波 时间:2008年01月04日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘 要：关键词：道路车辆? 总线? TTCAN? 时间触发?1 TTCAN简

2、介2TTCAN（时间触发现场总线）是为了适应第一代电控驾驶系统的需要而开发的。通信网络中纯粹的时间触发操作由系统中统一的同步时间决定。信息的传递依赖于一个预先定义好的时间进度表。其主要特征是总线访问受控于称为“基本周期”的时间循环。基本周期被分割成确定数量的时间窗，类型包括：参考报文、独占窗、仲裁窗和空闲窗。基本周期的构成如图1所示。?在一个基本周期内，“独占”、“仲裁”和“自由”三种时间窗的个数以及排放位置可以自由定义。其功能如下：? ?(1)参考报文：由时间主控单元发送，用于控制基本周期的计时，并标志着一个基本周期的开始。一个基本周期仅包含一个参考报文。? (2)独占窗：用于报文的传送，要

3、求有足够长的时间来保证传送的完成。每个独占窗为一个特定的CAN报文而保留，此时其他报文不会竞争总线。这是TTCAN最主要的特点，也是优点。在排外窗中，如果一个报文发送失败，则不允许重新发送，这与标准CAN协议不同。(3)仲裁窗：当总线空闲时，仲裁窗对所有报文都开放，并根据报文优先级进行仲裁。因此可以专门设计给对实时性要求很高的节点，为事件触发留出一定的数据传输时间。(4)空闲窗：是为将来系统的扩展而保留的时间段。因此，将来可以向系统加入更多的节点。总体来看，TTCAN比目前的CAN有着时序准确、带宽利用率高、实时性好等明显的优点，对于道路车辆数控系统来说，可以提高其稳定性、实时性和安全性。另外

4、，因采用TTCAN而节省下来的总线负载，可以留给将来更多节点的加入，使其成为一辆全数字化的新型车辆。2 TTCAN通信卡硬件设计3-4?为实现基于双口RAM的TTCAN通信板卡的功能，其通信软件应该具有双口RAM操作、TTCAN 通信及一些辅助功能。每项功能再细分，通信软件主要功能框架如图3所示。? TTCAN通信部分主要包括CAN报文收发、时间同步和定时、错误处理三大功能。其中，CAN报文的收发是将CAN总线传来的报文有选择地接收并存储下来，并将已打包好的报文发送出去。而TTCAN的时间同步和定时发送操作则是此项设计的主要内容，也是TTCAN通信卡的关键技术，它的优劣直接影响到整个TTCAN

5、网络系统的实时性和稳定性。3.1 TTCAN时序设计5-6?3.2 TTCAN通信软件特性? 将上述的双口RAM读写、延时、报文发送这三个主要操作与系统初始化、状态显示、容错处理等附属功能结合起来，就构成了完整的TTCAN通信软件系统。TTCAN通信软件相对于原有CAN通信软件具有优良的特性：? (1)报文发送间隔更紧密，缩短了报文发送周期；? (2)对实时性要求高的报文可在一个基本周期内发送3次，其平均周期约为4毫秒，能满足实时性的要求；? (3)报文发送时序准确，出错概率低，减轻整车控制器的容错运算负担；? (4)双口RAM两端的读写也由同一时序控制，可免去繁琐的双口RAM判忙机制。4 T

6、TCAN网络多节点联调测试实验室内构建出由5个节点组成的TTCAN网络，并制定出理想的报文发送时序，如图6所示。TTCAN网络多节点联调测试的主要任务是检验各节点能否与整车控制器实现同步，并按照既定时序发送报文。?4.1 时序准确性测试? 为了测试5节点TTCAN网络的时序准确性，测量CAN物理总线的差分电压信号，记录下波形图，显示了TTCAN基本周期中最重要的延时量。? (1)图7显示了连续的两个基本周期。测量两个基本周期开始时刻的时间间隔为13.04毫秒，符合既定时序13毫秒的要求。? (2)图8是图7中后4个节点发送报文部分的放大图。? 可见相邻两帧报文之间的间隔都基本为0.5毫秒，而且

7、误差都很小。各节点严格按照既定时序图发送报文，说明已经成功实现了TTCAN功能。4.2 测试数据统计?利用NI公司的高性能CAN卡，对TTCAN网络进行持续测量，记录连续400个周期的数据，并将多组数据进行统计分析，结果如表1所示。? 由统计结果可见所有测量的关键时间量都基本等于理想值，且最大绝对误差只有0.034毫秒，最大相对误差也只有0.97%，不会影响时序的稳定性，说明TTCAN节点的时间控制算法是成功的。? 在整个TTCAN板卡软、硬件系统的开发过程中，都是围绕着求快、求准和保障稳定的思想来设计的。硬件设计上采用更高的MCU及CAN控制器处理速度；对信号部分使用光耦隔离，减小了外界对板卡内数字电路的干扰；在电路板布置上将数字电路与模拟电路分开，并且对两部分电源进行了电源隔离，避免了两部分电路间的相互干扰。软件设计上则以TTCAN协议为基础，将TTCAN的报文收发与读写双口RAM的操作有机结合起来，统一编制在一个有序而且紧密的时间