电动汽车TTCAN总线技术研究
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The fault diagnosis and fault tolerant for the time master and reference message in the TTCAN are also researched in this dissertation. And the result indicates that the network performance is not impacted by the time master’s and reference message’s fault and proves the correctness of the means of redundancy for time master and reference message.
为了在提高汽车性能的同时避免线束数量的增加，上世纪八十年代初，出现 了一种基于数据网络的车内信息交互方式——车载网络。在上世纪 80 年代以后， 汽车电子技术飞速发展，使汽车电器电子化、并最终将与汽车电子融合成为汽车 电器发展的必然趋势。汽车电器电子化增强了汽车电器的智能化程度，为汽车内 部电气信号连接过渡到数据网络奠定了基础；当微处理器/微控制器成为汽车电 器中必不可少的元件时，车用数据网络取代电气信号连接的时机也已经成熟。
（1）减少设备接线的复杂性，减少由于接线引起的出错率，提高抗干扰性， 以提高汽车的运行可靠性。
（2）提高电子设备的可扩性，增加新的电子设备时无须更改原有电子设备 的接线。
（3）所有电子设备可以使用统一的检修和调试装置，提高故障维修效率。 随着车载总线网络的发展，车用总线已经由借助通用微处理器/微控制器集
汽车中使用车载总线网络不仅仅是为了减少线束，当汽车电子控制设备进入 到快速反应的协同动力控制时，如何减少这些设备接线的复杂性，提高它们运行 的可靠性，并让它们更好的进行协同工作（包括汽车需要安装新的设备时如何进 行扩充等问题）成为新的技术挑战。从本质上说，汽车上使用车载总线网络的目 的是提高三性，即运行可靠性（包括安全性）、设备可扩性和故障可维修性。
The performance of the network in the powertrain of hybrid electrical vehicle based on TTCAN protocol is tested and analyzed. The results indicate that profiting from time-triggered mechanism and the scheduling in the system matrix, the periodic message is not impacted by other messages in the network, the conflict among the messages on the bus is depressed, the real-time performance and bus utilization are both improved in the TTCAN network.
中国科学院电工研究所 硕士学位论文
电动汽车TTCAN总线技术研究 姓名：王欢
申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：王丽芳
@
中国科学院电工研究所硕士学位文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
摘要
TTCAN 协议在 CAN 协议基础之上，将事件触发机制与实时性更高的时间触发 机制相结合，提高了网络实时性，满足对安全性要求苛刻的实时系统以及总线日 益增长的信息负载的需求；同时，CAN 总线技术的基础为 TTCAN 总线技术研究奠 定了很好的软硬件支持条件。
中国科学院电工研究所硕士学位论文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
Abstract
Based on the CAN protocol, TTCAN protocol is both event-triggered and time-triggered. TTCAN, in which the communication is decided by time, improves the real-time performance of the network and makes the communication meet the demand of security critical real-time system and the increasing bus load. At the same time, the research on CAN makes good software and hardware environment for TTCAN.
Keywords: TTCAN protocol time-triggered
electrical vehicle network
performance time master reference message fault diagnosis
中国科学院电工研究所硕士学位论文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
TTCAN protocol, the software and hardware condition and the means of network performance test are all introduced.
According to ISO11898-4, the communication based on TTCAN protocol is implemented by programming on the real-time simulation system for the CAN bus and the system is turned into a TTCAN network. It is concluded that the ECU in TTCAN network must have a steady and reliable local time and relevant time synchronization and timing mode.
1.2 车用总线协议产生的背景
上世纪 60 年代，总线的概念被第一次提出后，总线在 80 年代中期开始在国 际上发展起来，在汽车总线的发展过程中，相应的总线协议也在制定和完善，从 车载总线网络的通讯方式来分，总线及协议共分为两种基本类型：事件触发方式 和时间触发方式 [4] 。基于事件触发方式的协议主要包括由德国 Bosch 公司制定的 CAN（Controller Area Network）总线及其协议 [5] 。汽车工业为了使得汽车更安 全和更易于驾驶，不断地开发新的技术，随着汽车电子系统的复杂化程度和安全 性能要求的不断提高，对整车的安全性能要求也越来越高。比如：汽车中的 X-by-wire（线控系统）[6] ,是未来汽车的发展方向，许多汽车制造商在他们最新 的车型中已经使用了一些 X-by-wire 系统，他们认为 X-by-wire 技术是使得汽车 更加安全的一种经济而有效的途径；该技术基本思想就是用电子控制系统代替机 械控制系统，减轻重量提高可靠性，使得整车更简单并易于维护，其中 X 代表油 门、制动、方向等操作，例如电子加速踏板、电子制动、电子方向控制等等，该 系统对网络的实时性要求非常高，传统的 CAN 总线技术很难满足其苛刻的要求。 因此，为了满足提高车载总线网络的安全性和可靠性，汽车工业界的研究者们在 事件触发协议机制的基础上，提出了时间触发机制 [6] ，将两种总线通讯方式相结 合，并以时间触发方式为核心提出了新的总线及协议，其中具有代表性的三种总 线及协议分别为：Time-Triggered CAN(TTCAN) [7] 、TTP 和 FlexRay [8][9] 。
1
中国科学院电工研究所硕士学位论文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
成的通用串行数据总线，逐渐过渡到了根据汽车具体情况，在微处理器/微控制 器中定制专用串行数据总线。在计算机技术中，串行数据总线 [3] 是将数据按比特 流的方式通过一根或多根通信介质实施信息交互的一种数据通信方式。由于串行 数据总线占用信道少、信息容量大，它是内嵌微处理器/微控制器智能零部件或 设备与外界实施信息交互的主要方式；并且在通用微处理器/微控制器中一般集 成了一种或数种串行数据总线。目前，“车载网络采取基于串行数据总线的体系 结构”已经成为业界的共识。同时，伴随着汽车电子系统网络化的进程，许多汽 车总线及相应的总线协议被研究和制定出来。
The network performance of TTCAN and CAN are compared on equal condition. The real-time performance in the TTCAN network is always good though the bus loading is high.
论文首先介绍了 TTCAN 协议的通讯原理、软硬件环境的建立和总线网络性能 的测试方法。
按照 ISO11898－4 标准的要求，在自主研发的 CAN 总线实时仿真系统上结合 软件编程能够实现 TTCAN 协议的时间触发通讯功能，使整个系统成为具有时间触 发功能的 TTCAN 总线通讯网络，得到网络要采用 TTCAN 协议通讯时各 ECU 必须具 备稳定可靠的本地时钟和相应的时钟同步和计数机制的结论。
研究了对 TTCAN 总线网络中 time master（时间主节点）和 reference message （参考消息）进行故障诊断和容错的方法，通过实验验证了采用冗余的方式能够 保证当前时间意义上的主节点和参考消息故障情况下整个网络的性能不受影响， 提高故障情况下网络的可靠性。
关键词： TTCAN 协议 时间触发 电动汽车 网络性能 时间主节点 参 考消息 故障诊断
结合混合动力电动汽车动力系统对采用 TTCAN 协议通讯时的网络性能进行 了测试和分析，结果表明，TTCAN 网络中周期型消息的实时性不受网络中其他消 息的影响，时间触发通讯方式和系统矩阵的调度安排在一定程度上减少了总线上 消息间的冲突，提高了网络实时性和总线带宽利用率。
对比分析同等条件下 TTCAN 总线网络和 CAN 总线网络的性能，TTCAN 协议能 够保证网络总线在高峰值负载的情况下网络的实时性。
签名：
日期
关于论文使用授权的说明
本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留，使用学位论文的规定，即：
电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，电工研究所
可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解码后也遵循此规定）。
签名：
导师签名：
日期
81
中国科学院电工研究所硕士学位论文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
第一章 概 述
1.1 车载总线网络产生的原因
从 1886 年第一辆汽车诞生至今 [1] ，汽车为人类的生活和工作带来了诸多方 便；另一方面，由开关、继电器、电磁仪表等与电相关的零部件所构成的汽车电 器构成了一个复杂的系统，在传统汽车中，汽车电器之间的信息交互采用的是点 对点的布线方法，并通过电线束连接电气信号。随着汽车中电器技术含量和数量 的增加，汽车的性能在不断地提高；但同时，这也导致了汽车电器之间信息交互 的桥梁——线束和与其配套电器接插件的成倍上升，使得汽车线束非常复杂。据 调查，在 1955 年平均一辆汽车所用线束总长度为 45 米，而到了 2002 年，一辆 汽车所用的平均线束总长度达到了 4 千米 [2] 。线束的增加不但占据了车内的有效 空间，而且由于不同车型的线束不同，每种车都需要单独设计，增加了设计、试 制、装配和维修的难度、提高了整车成本，妨碍了整车可靠性的提高。
论文答辩说明
本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得
的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不含其
他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学院电工研究所或其他
研究教育机构的学位论文所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的
任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。
为了在提高汽车性能的同时避免线束数量的增加，上世纪八十年代初，出现 了一种基于数据网络的车内信息交互方式——车载网络。在上世纪 80 年代以后， 汽车电子技术飞速发展，使汽车电器电子化、并最终将与汽车电子融合成为汽车 电器发展的必然趋势。汽车电器电子化增强了汽车电器的智能化程度，为汽车内 部电气信号连接过渡到数据网络奠定了基础；当微处理器/微控制器成为汽车电 器中必不可少的元件时，车用数据网络取代电气信号连接的时机也已经成熟。
（1）减少设备接线的复杂性，减少由于接线引起的出错率，提高抗干扰性， 以提高汽车的运行可靠性。
（2）提高电子设备的可扩性，增加新的电子设备时无须更改原有电子设备 的接线。
（3）所有电子设备可以使用统一的检修和调试装置，提高故障维修效率。 随着车载总线网络的发展，车用总线已经由借助通用微处理器/微控制器集
汽车中使用车载总线网络不仅仅是为了减少线束，当汽车电子控制设备进入 到快速反应的协同动力控制时，如何减少这些设备接线的复杂性，提高它们运行 的可靠性，并让它们更好的进行协同工作（包括汽车需要安装新的设备时如何进 行扩充等问题）成为新的技术挑战。从本质上说，汽车上使用车载总线网络的目 的是提高三性，即运行可靠性（包括安全性）、设备可扩性和故障可维修性。
The performance of the network in the powertrain of hybrid electrical vehicle based on TTCAN protocol is tested and analyzed. The results indicate that profiting from time-triggered mechanism and the scheduling in the system matrix, the periodic message is not impacted by other messages in the network, the conflict among the messages on the bus is depressed, the real-time performance and bus utilization are both improved in the TTCAN network.
中国科学院电工研究所 硕士学位论文
电动汽车TTCAN总线技术研究 姓名：王欢
申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：王丽芳
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中国科学院电工研究所硕士学位文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
摘要
TTCAN 协议在 CAN 协议基础之上，将事件触发机制与实时性更高的时间触发 机制相结合，提高了网络实时性，满足对安全性要求苛刻的实时系统以及总线日 益增长的信息负载的需求；同时，CAN 总线技术的基础为 TTCAN 总线技术研究奠 定了很好的软硬件支持条件。
中国科学院电工研究所硕士学位论文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
Abstract
Based on the CAN protocol, TTCAN protocol is both event-triggered and time-triggered. TTCAN, in which the communication is decided by time, improves the real-time performance of the network and makes the communication meet the demand of security critical real-time system and the increasing bus load. At the same time, the research on CAN makes good software and hardware environment for TTCAN.
Keywords: TTCAN protocol time-triggered
electrical vehicle network
performance time master reference message fault diagnosis
中国科学院电工研究所硕士学位论文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
TTCAN protocol, the software and hardware condition and the means of network performance test are all introduced.
According to ISO11898-4, the communication based on TTCAN protocol is implemented by programming on the real-time simulation system for the CAN bus and the system is turned into a TTCAN network. It is concluded that the ECU in TTCAN network must have a steady and reliable local time and relevant time synchronization and timing mode.
1.2 车用总线协议产生的背景
上世纪 60 年代，总线的概念被第一次提出后，总线在 80 年代中期开始在国 际上发展起来，在汽车总线的发展过程中，相应的总线协议也在制定和完善，从 车载总线网络的通讯方式来分，总线及协议共分为两种基本类型：事件触发方式 和时间触发方式 [4] 。基于事件触发方式的协议主要包括由德国 Bosch 公司制定的 CAN（Controller Area Network）总线及其协议 [5] 。汽车工业为了使得汽车更安 全和更易于驾驶，不断地开发新的技术，随着汽车电子系统的复杂化程度和安全 性能要求的不断提高，对整车的安全性能要求也越来越高。比如：汽车中的 X-by-wire（线控系统）[6] ,是未来汽车的发展方向，许多汽车制造商在他们最新 的车型中已经使用了一些 X-by-wire 系统，他们认为 X-by-wire 技术是使得汽车 更加安全的一种经济而有效的途径；该技术基本思想就是用电子控制系统代替机 械控制系统，减轻重量提高可靠性，使得整车更简单并易于维护，其中 X 代表油 门、制动、方向等操作，例如电子加速踏板、电子制动、电子方向控制等等，该 系统对网络的实时性要求非常高，传统的 CAN 总线技术很难满足其苛刻的要求。 因此，为了满足提高车载总线网络的安全性和可靠性，汽车工业界的研究者们在 事件触发协议机制的基础上，提出了时间触发机制 [6] ，将两种总线通讯方式相结 合，并以时间触发方式为核心提出了新的总线及协议，其中具有代表性的三种总 线及协议分别为：Time-Triggered CAN(TTCAN) [7] 、TTP 和 FlexRay [8][9] 。
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中国科学院电工研究所硕士学位论文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
成的通用串行数据总线，逐渐过渡到了根据汽车具体情况，在微处理器/微控制 器中定制专用串行数据总线。在计算机技术中，串行数据总线 [3] 是将数据按比特 流的方式通过一根或多根通信介质实施信息交互的一种数据通信方式。由于串行 数据总线占用信道少、信息容量大，它是内嵌微处理器/微控制器智能零部件或 设备与外界实施信息交互的主要方式；并且在通用微处理器/微控制器中一般集 成了一种或数种串行数据总线。目前，“车载网络采取基于串行数据总线的体系 结构”已经成为业界的共识。同时，伴随着汽车电子系统网络化的进程，许多汽 车总线及相应的总线协议被研究和制定出来。
The network performance of TTCAN and CAN are compared on equal condition. The real-time performance in the TTCAN network is always good though the bus loading is high.
论文首先介绍了 TTCAN 协议的通讯原理、软硬件环境的建立和总线网络性能 的测试方法。
按照 ISO11898－4 标准的要求，在自主研发的 CAN 总线实时仿真系统上结合 软件编程能够实现 TTCAN 协议的时间触发通讯功能，使整个系统成为具有时间触 发功能的 TTCAN 总线通讯网络，得到网络要采用 TTCAN 协议通讯时各 ECU 必须具 备稳定可靠的本地时钟和相应的时钟同步和计数机制的结论。
研究了对 TTCAN 总线网络中 time master（时间主节点）和 reference message （参考消息）进行故障诊断和容错的方法，通过实验验证了采用冗余的方式能够 保证当前时间意义上的主节点和参考消息故障情况下整个网络的性能不受影响， 提高故障情况下网络的可靠性。
关键词： TTCAN 协议 时间触发 电动汽车 网络性能 时间主节点 参 考消息 故障诊断
结合混合动力电动汽车动力系统对采用 TTCAN 协议通讯时的网络性能进行 了测试和分析，结果表明，TTCAN 网络中周期型消息的实时性不受网络中其他消 息的影响，时间触发通讯方式和系统矩阵的调度安排在一定程度上减少了总线上 消息间的冲突，提高了网络实时性和总线带宽利用率。
对比分析同等条件下 TTCAN 总线网络和 CAN 总线网络的性能，TTCAN 协议能 够保证网络总线在高峰值负载的情况下网络的实时性。
签名：
日期
关于论文使用授权的说明
本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留，使用学位论文的规定，即：
电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，电工研究所
可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解码后也遵循此规定）。
签名：
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日期
81
中国科学院电工研究所硕士学位论文
电动汽车 TTCAN 总线技术研究
第一章 概 述
1.1 车载总线网络产生的原因
从 1886 年第一辆汽车诞生至今 [1] ，汽车为人类的生活和工作带来了诸多方 便；另一方面，由开关、继电器、电磁仪表等与电相关的零部件所构成的汽车电 器构成了一个复杂的系统，在传统汽车中，汽车电器之间的信息交互采用的是点 对点的布线方法，并通过电线束连接电气信号。随着汽车中电器技术含量和数量 的增加，汽车的性能在不断地提高；但同时，这也导致了汽车电器之间信息交互 的桥梁——线束和与其配套电器接插件的成倍上升，使得汽车线束非常复杂。据 调查，在 1955 年平均一辆汽车所用线束总长度为 45 米，而到了 2002 年，一辆 汽车所用的平均线束总长度达到了 4 千米 [2] 。线束的增加不但占据了车内的有效 空间，而且由于不同车型的线束不同，每种车都需要单独设计，增加了设计、试 制、装配和维修的难度、提高了整车成本，妨碍了整车可靠性的提高。
论文答辩说明
本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得
的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不含其
他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学院电工研究所或其他
研究教育机构的学位论文所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的
任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。