对TTCAN的分析
摘要 TTCAN通过独占窗口的方式解决消息传送的确定性问题，提高总线利用率，试图满足应用发展的要求。但是在恶劣环境的高误码率下，传送的可靠性下降，容错的措施不成熟，成本较高。再考虑TTCAN的其他得失，认为它不是性价比高的CAN技术升级方案。
关键词 CAN TTCAN 时间触发协议 误码率
2002年左右国外推出的TTCAN是一种时间触发的通信协议，在我国电动汽车“863”攻关项目及地方的科研项目中有许多尝试，目的是判断它能否成为新一代汽车的通信骨干网络。在研制中，它们一般规模较小，总线负载较轻，试验环境并不十分恶劣，对误码造成的丢帧不容易发现，且未经长期考验，所以没有发现什么问题；但对于大量生产的汽车，必须全面认识TTCAN的优劣，以及汽车控制用总线的技术走向，才能避免采用新技术带来的技术与经济风险。本文试图从可靠性与经济性角度对TTCAN作些分析，供大家决策时参考。
1 TTCAN兴起的推动力量
TTCAN是在CAN的基础上发展起来的一种高层协议，它的出现是为解决CAN应用中遇到的瓶颈而作的一种试探。
现在，TTCAN已被采纳为国际标准ISO118984；但在工业上也只是试验性的应用，没有见到大规模的采用。虽然如此，对它兴起的原因进行分析仍然会对我们有很大的启发，正是这些需求构成了评价一种新技术优劣的依据。CAN是最成功的一种现场总线，在今天依然是应用的主力，经过近20年的实践，对它的局限也有了较多的认识[1]。这里不重复其中总结的内容，仅从应用的角度来说明CAN所面临的问题。
1.1 为满足时限要求不得不降低总线利用率
CAN是事件触发协议，当许多消息同时要求发送时，竞争结果使低优先级消息发送的时间推后很多，甚至不能满足其时限的要求。
现以一个SAE benchmark为例[1]。该例有5条5 ms周期的消息，其帧长含1B、2B、1B、2B和4B数据，其余为50、100和1 000 ms的消息。在参考文献[1]中，消息可能的最大长度计算小了，但即便这样，对于5 ms周期的消息在125、250、500 kbps和1 Mbps的总线速率下，最大响应时间为4.456、2.228、1.114、0.557 ms。由于这些消息都置于较高优先级，它们只可能被一个低优先级4B数据消息阻断1次。我们可以只算这几条消息而估计相应总线的通信负载为75 kbps，对应的总线利用率为60%、30%、15%和7.5%。
现在看看最大响应时间对于应用意味着什么：一个闭环控制系统以5 ms为采样控制周期，在最坏响应时间为4.456 ms时，执行器产生的反馈控制效果在下一次采样前维持的时间最坏为5-4.456=0.55 ms，最长为5 ms。显然在这种变动巨大的情况下，控制参数只能取得比较保守，例如微分和积分增益不能太强。这就极大地限制了控制品质的提高。有些控制算法对这种纯迟后的变化更为敏感，例如smith预估，因此为了保证品质，只能取较低的总线利用率。对于以品质为第一的整车厂，这是唯一的选择，而取较低的总线利用率意味着成本的提高。
1.2 汽车厂是对成本非常敏感的企业
如果总线利用率只有20%~30%，随着安全、节能与舒适性要求的提高，要增加更多消息而不希望增加成本。1条总线不够，在技术上可再加，或者是连接2个ECU的专用总线，或者是连多个ECU的附加总线。要在2条CAN总线中加网桥，不要说复杂性的增加，成本的增加就很大。以一个网桥200元算，年产20万台车的厂家要增加4 000万元成本。如果把总线利用率提高到60%，这钱就省下来了。
1.3 CAN的开发与应用成本较高
为了使低优先级消息发送时间减少，不得不修改消息的优先级分配，这种变化增加了维修、管理的成本。由于系统中消息量与种类的变化，消息的送达时间会变化，又增加了认证和验证的工作量和成本。在开发新功能方面，也受到消息优先级设置上的相互影响，不易单独推进。
1.4 CAN达不到线控技术的要求
线控技术可能简化汽车的结构、降低成本、提高控制能力，是一个重要发展的方向。但要达到与原来机械—液压系统同样的可靠性，需要通信系统有更高的确定性与冗余度。CAN达不到这一确定性要求，所以要改进。当然，新的协议不能在性能上比CAN还差。
通过时间触发协议，使消息在调度好的时间片内发送，可以消除总线的争用，消息传送的确定性得到了保证，总线的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周期性质，需要提供合理的带宽与时隙分布。TTCAN就在这种背景下出现了。几乎同时出现的还有其他时间触发协议，早一点的有TTP/C,晚一点的有FTTCAN、FlexRay等。它们都是在特定时隙指定周期性消息或事件消息的传送，细节上虽有区别，但没有根本的区别。与其他协议比较，TTCAN的优点是它用现有的CAN芯片就可以实现，因此价格便宜。这些经济上的考虑是TTCAN出现的直接推动力量。
2 TTCAN的简要内容
参考文献[2]有TTCAN的详细介绍。它的作者是TTCAN技术专利发明人、标准起草人。这里仅将它的几个要点摘出：
① TTCAN用System Matrix组织时间片。它相当于一个大周期，一个System Matrix里又分为2n个Cycle。在每个Cycle开始处，由时间上的Master节点发Reference消息，时间上的从节点对Reference进行同步,这样就建立了全局时钟。
② Cycle里可以划分为若干长度不同的Slot（时隙），但每个Cycle的Slot划分是一样的。
③ Slot的用途有3种：Exclusive Window(独占窗)、Arbitration Window（仲裁窗）和 Free Window（空窗）。Exclusive Window用于周期性消息发送，Arbitration Window用于事件消息的争用，Free Window用来备用。
④ 禁止消息跨窗口的发送，只有相连续的Arbitration Window除外。为此，禁止CAN的出错自动重发功能。在Arbitration Window内争用的消息要先判断能否发完，如能发完，才可参加争用。
⑤ Slot用途的指定是由调度器来实现的，它不是标准的内容，然而事件消息在Arbitration Window的争用并不是严格意义上的随到随争用。按参考文献[2]的想法，事件消息是偶发消息，应用程序可以预先安排几个偶发消息到一个Arbitration Window，再任它们争用。
⑥ 在一个Cycle里，Slot的用途不受约束。
3 TTCAN的缺点与问题
（1） TTCAN与CAN是不兼容的
TTCAN要求独占窗，因此它不能和CAN混合使用在一个系统中。带CAN通信口的ECU不受TTCAN的约束，可在任意时刻发送，就有可能在总线空闲时争得发送权，使TTCAN的调度发送完全失效。汽车厂在采用TTCAN时必须将所有要用到的ECU都改为用TTCAN的方式，这就要重新认证和验证所有的ECU，涉及大的工作量和投资。如果用网关将CAN的ECU过渡到TTCAN网，其成本的增加更大，只具有实验意义。
关键词 CAN TTCAN 时间触发协议 误码率
2002年左右国外推出的TTCAN是一种时间触发的通信协议，在我国电动汽车“863”攻关项目及地方的科研项目中有许多尝试，目的是判断它能否成为新一代汽车的通信骨干网络。在研制中，它们一般规模较小，总线负载较轻，试验环境并不十分恶劣，对误码造成的丢帧不容易发现，且未经长期考验，所以没有发现什么问题；但对于大量生产的汽车，必须全面认识TTCAN的优劣，以及汽车控制用总线的技术走向，才能避免采用新技术带来的技术与经济风险。本文试图从可靠性与经济性角度对TTCAN作些分析，供大家决策时参考。
1 TTCAN兴起的推动力量
TTCAN是在CAN的基础上发展起来的一种高层协议，它的出现是为解决CAN应用中遇到的瓶颈而作的一种试探。
现在，TTCAN已被采纳为国际标准ISO118984；但在工业上也只是试验性的应用，没有见到大规模的采用。虽然如此，对它兴起的原因进行分析仍然会对我们有很大的启发，正是这些需求构成了评价一种新技术优劣的依据。CAN是最成功的一种现场总线，在今天依然是应用的主力，经过近20年的实践，对它的局限也有了较多的认识[1]。这里不重复其中总结的内容，仅从应用的角度来说明CAN所面临的问题。
1.1 为满足时限要求不得不降低总线利用率
CAN是事件触发协议，当许多消息同时要求发送时，竞争结果使低优先级消息发送的时间推后很多，甚至不能满足其时限的要求。
现以一个SAE benchmark为例[1]。该例有5条5 ms周期的消息，其帧长含1B、2B、1B、2B和4B数据，其余为50、100和1 000 ms的消息。在参考文献[1]中，消息可能的最大长度计算小了，但即便这样，对于5 ms周期的消息在125、250、500 kbps和1 Mbps的总线速率下，最大响应时间为4.456、2.228、1.114、0.557 ms。由于这些消息都置于较高优先级，它们只可能被一个低优先级4B数据消息阻断1次。我们可以只算这几条消息而估计相应总线的通信负载为75 kbps，对应的总线利用率为60%、30%、15%和7.5%。
现在看看最大响应时间对于应用意味着什么：一个闭环控制系统以5 ms为采样控制周期，在最坏响应时间为4.456 ms时，执行器产生的反馈控制效果在下一次采样前维持的时间最坏为5-4.456=0.55 ms，最长为5 ms。显然在这种变动巨大的情况下，控制参数只能取得比较保守，例如微分和积分增益不能太强。这就极大地限制了控制品质的提高。有些控制算法对这种纯迟后的变化更为敏感，例如smith预估，因此为了保证品质，只能取较低的总线利用率。对于以品质为第一的整车厂，这是唯一的选择，而取较低的总线利用率意味着成本的提高。
1.2 汽车厂是对成本非常敏感的企业
如果总线利用率只有20%~30%，随着安全、节能与舒适性要求的提高，要增加更多消息而不希望增加成本。1条总线不够，在技术上可再加，或者是连接2个ECU的专用总线，或者是连多个ECU的附加总线。要在2条CAN总线中加网桥，不要说复杂性的增加，成本的增加就很大。以一个网桥200元算，年产20万台车的厂家要增加4 000万元成本。如果把总线利用率提高到60%，这钱就省下来了。
1.3 CAN的开发与应用成本较高
为了使低优先级消息发送时间减少，不得不修改消息的优先级分配，这种变化增加了维修、管理的成本。由于系统中消息量与种类的变化，消息的送达时间会变化，又增加了认证和验证的工作量和成本。在开发新功能方面，也受到消息优先级设置上的相互影响，不易单独推进。
1.4 CAN达不到线控技术的要求
线控技术可能简化汽车的结构、降低成本、提高控制能力，是一个重要发展的方向。但要达到与原来机械—液压系统同样的可靠性，需要通信系统有更高的确定性与冗余度。CAN达不到这一确定性要求，所以要改进。当然，新的协议不能在性能上比CAN还差。
通过时间触发协议，使消息在调度好的时间片内发送，可以消除总线的争用，消息传送的确定性得到了保证，总线的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周期性质，需要提供合理的带宽与时隙分布。TTCAN就在这种背景下出现了。几乎同时出现的还有其他时间触发协议，早一点的有TTP/C,晚一点的有FTTCAN、FlexRay等。它们都是在特定时隙指定周期性消息或事件消息的传送，细节上虽有区别，但没有根本的区别。与其他协议比较，TTCAN的优点是它用现有的CAN芯片就可以实现，因此价格便宜。这些经济上的考虑是TTCAN出现的直接推动力量。
2 TTCAN的简要内容
参考文献[2]有TTCAN的详细介绍。它的作者是TTCAN技术专利发明人、标准起草人。这里仅将它的几个要点摘出：
① TTCAN用System Matrix组织时间片。它相当于一个大周期，一个System Matrix里又分为2n个Cycle。在每个Cycle开始处，由时间上的Master节点发Reference消息，时间上的从节点对Reference进行同步,这样就建立了全局时钟。
② Cycle里可以划分为若干长度不同的Slot（时隙），但每个Cycle的Slot划分是一样的。
③ Slot的用途有3种：Exclusive Window(独占窗)、Arbitration Window（仲裁窗）和 Free Window（空窗）。Exclusive Window用于周期性消息发送，Arbitration Window用于事件消息的争用，Free Window用来备用。
④ 禁止消息跨窗口的发送，只有相连续的Arbitration Window除外。为此，禁止CAN的出错自动重发功能。在Arbitration Window内争用的消息要先判断能否发完，如能发完，才可参加争用。
⑤ Slot用途的指定是由调度器来实现的，它不是标准的内容，然而事件消息在Arbitration Window的争用并不是严格意义上的随到随争用。按参考文献[2]的想法，事件消息是偶发消息，应用程序可以预先安排几个偶发消息到一个Arbitration Window，再任它们争用。
⑥ 在一个Cycle里，Slot的用途不受约束。
3 TTCAN的缺点与问题
（1） TTCAN与CAN是不兼容的
TTCAN要求独占窗，因此它不能和CAN混合使用在一个系统中。带CAN通信口的ECU不受TTCAN的约束，可在任意时刻发送，就有可能在总线空闲时争得发送权，使TTCAN的调度发送完全失效。汽车厂在采用TTCAN时必须将所有要用到的ECU都改为用TTCAN的方式，这就要重新认证和验证所有的ECU，涉及大的工作量和投资。如果用网关将CAN的ECU过渡到TTCAN网，其成本的增加更大，只具有实验意义。
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