机载TTCAN总线应用性研究

摘 要 在CAN协议的基础上，介绍一种实时性更高的现场总线TTCAN总线，详细分析了该型总线的协议和工作机制，并提出了基于TTCAN总线的机载测试系统架构及其GPS授时同步的模式，使之更加适用于机载应用环境。

关键词 CAN总线；TTCAN总线；分布式；时间同步

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0062-01

TTCAN总线是为解决在CAN总线的实时性问题，而提出的一种高速实时现场总线。由于CAN总线是基于事件触发型的现场总线，CAN节点按照彼此的优先级来竞争总线，那么将会导致低优先级CAN节点数据被延迟发送。在实时性要求严格的环境下，CAN总线的这种固有延迟是不允许的。因此，为解决CAN总线这一实时性问题，在CAN协议的数据链路层之上，提出了一种基于时间触发型的高层应用协议，即TTCAN总线协议。本文将重点论述TTCAN总线在机载环境下的技术应用。

1 TTCAN总线协议

TTCAN总线协议是建立在CAN总线协议之上的一种高层应用协议，它保留了CAN的物理层和数据链路层，总线节点均在时间调度表的管理下进行分时同步通信。总线节点得到时间同步后，在规定的时间间隙内发送消息块，分时占用总线，从而避免了总线竞争，使数据传输实时性得到了提高，并可预知各节点的传输延迟。因此，TTCAN总线不仅高效利用了CAN的数据带宽，并使传输延迟短且可预知，非常适合作为机载数据采集总线。

实现基于时间触发的通讯机制，TTCAN必须提供一个公共的时间参考标准，通过主节点周期性地发布参考时间来实现周期性的时间同步，每个节点在收到参考时间后，将启动本地时间，从而启动一个节点的传输周期。TTCAN时间调度表如图1所示，时间调度表可以采用矩阵形式描述，一个矩阵周期可以由若干基本周期构成，每个基本周期开始于参考消息，结束下一个参考消息。基本周期内可以包含不同类型时间窗口，独占时间窗、自由时间窗和仲裁时间窗。独占时间窗用于周期性的数据交换，自由时间窗用于系统扩展，仲裁窗用于传输标准的CAN消息传输[1，2]。

图1 系统矩阵结构图

2 TTCAN总线的同步机制

TTCAN总线网络中的数据传输需要同步和精确计时，每个节点的本地时间采用晶振分频计数器产生，每个节点在收到帧起始位时将本地时间载入同步寄存器，当确认收到基准消息的起始位后将同步点寄存器的值载入基准点寄存器，那么消息段传输的时间就是本地时间与基准时间的差值。该部分由CAN控制器硬件自动完成[3]。

TTCAN网络各节点拥有共同的时间基准，即全局时间。TTCAN主机向各节点发送基准消息时，应先捕捉全局时间计时值，并将计时值发给网络中的其它节点，这个基准点成为主基准点。从节点在接收到基准消息后提取基准点数据，并与本地基准点数据求差得到本地计时偏差，再将这个偏差值与本地时间相加即可获得TTCAN主机节点同步的全局时间，从而获得时间同步。

3 基于TTCAN总线的分布式机载测试系统构架

机载测试中应变与振动测量存在数据传输实时性要求高、测点位置分布范围分散的特点，传统的测试方法有两种，一种是将每个测点的数据采集到后送至数据采集器的独立通道，每个通道只采集一个参数，因此对资源消耗巨大；另一种是采用专用总线采集，本文提出了基于TTCAN总线的分布式机载测试系统构架方案。

TTCAN总线固有的周期性时间触发的通讯机制，在兼顾通讯带宽的同时具有更高的实时性，非常适合作为机载测试局部传输总线。但是TTCAN总线的同步机制主要采用内同步，TTCAN主机和节点的计时偏差难以补偿，同步精度不能得到有效保证。本文将采用GPS外部授时对TTCAN的全局时间进行同步，如图2所示。TTCAN主机获得GPS发送的同步脉冲，将产生本地计时时间，并向各节点发送参考时间帧，从而使各个节点与TTCAN主机的时间保持同步，从而实现精确计时和分时通信功能。

图2 TTCAN机载环境下的时间同步

由于TTCAN总线保留了CAN总线物理层和数据链路层，并在CAN协议的基础上进行了修改，实现了更高实时性的数据传输，本文将TTCAN总线作为机载测试分布式测试系统数据总线，并构建了如图3所示的系统构架，前端数据采集模块将数据送入各个TTCAN节点，各个节点按照TTCAN协议将数据通过分时占用总线的方式传输给TTCAN主节点，TTCAN主节点将数据解码并进行PCM编码，从而发送至数据记录设备。TTCAN主节点将获得机载GPS的同步授时，从而使TTCAN总线获得全局时间和本地时间的全局同步，从而实现分时触发通讯传输功能。

图3 机载TTCAN总线构架

4 总结

本文从CAN总线实时性方面出发，提出了TTCAN总线，详细分析了它的工作机制和同步原理，进而提出了基于GPS同步的TTCAN总线。最后，本文设计了基于TTCAN总线的机载分布式测试系统架构，分析了其工作的机制。综上所述，TTCAN总线完全可以作为机载局部数据采集总线，适合分布式应变、振动等数据的传输。

参考文献

[1]任谦等.基于标准总线的CAN总下的TTCAN总线协议浅析[J].仪器仪表用户，2006，13（6）：92-93.

[2]孟庆栋，等.MCP2515在TTCAN协议Level 1节点中应用[J].微计算机信息，2007，23（2）：273-274.

[3]刘强，等.基于时间触发的TTCAN协议[J].自动化仪表，2008，29（1）：31-39.

作者简介

连强强（1986-），男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：机载测试技术。

李国星（1981-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：机载测试技术。

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