总第10讲第4章第5讲时间触发CAN_...

• 可见，规划在一个基本周期同一列的所 有消息被同时发送，当然，一个基本周 期的所有消息也有可能部分发送，这要 根据事件性质来确定。
TTCAN的矩阵周期
• 根据ISO11898-4 标准，TTCAN 协议下的矩 阵周期应当由2n (n=0、1、2、3、……)个 基本周期组成，当 n=0 时，该矩阵周期即为 单行矩阵。矩阵周期中每个基本周期由同步信 号（也叫参考消息，下同）开始，到下一条同 步信号结束，并且每个基本周期中的同步信号 需要反应出该基本周期在矩阵中所处的行数。
TTCAN的矩阵周期传送示意图
一个矩阵周期的长度可以选择为所有消息 发送周期的最小公倍数或者最小公倍数的 整数倍。
TTCAN 消息和时间窗的类型
• 在 TTCAN 网络中，从消息的实时性要 求来分，总线上所传输的消息分为两种 类型：周期型消息和非周期型消息。
TTCAN的周期型消息
• 周期型消息是指具有固定的发送周期， 对实时性的要求较高，对系统而言比较 重要的消息；周期型消息采用时间触发 的方式进行发送，并且在规定的时间段 内只允许发送一条该消息，不与总线上 的其他消息因为争夺总线的使用权而发 生冲突。
T T2FPS 调度算法的优点
• 克服CAN网络可能产生优先级较高的数 据总能发送, 而优先级较低的数据却总是 得不到机会发送的现象。
• 使各种不同优先级的节点数据在截止时 间之前得到发送。该算法将消息的冲突 检测限制在特定的时间段内， 使其对消 息的传输具有较高的可预见性和容错性。
课外作业
1、上网查找适合用于51单片机的实时时 钟芯片型号与应用文献一篇，注明出处。 2、比较基于事件触发的CAN协议与基于 时间触发的CAN协议的本质区别是什么？ 3、矩阵周期（静态系统同步时间通信表） 制定的原则是什么？
基于时间触发机制的固定优先 级调度(T T2FPS)算法。
• 系统的所有消息满足不等式： (Ri+ J i) < Di <Ti 即最糟糕响应时间Ri 与抖动时间J i 之和 要小于截止时间Di，同时截止时间Di要 小于消息周期Ti。
TT2FPS 算法的原理
• 在系统运行之前, 按照系统消息的截止时 间用基于表的静态调度算法， 将各个消 息分配到矩阵周期中的各个基本周期中， 如下图所示。
TTCAN协议的基本原理（续1）
• 基于时分多路访问( TDMA) ，将消息的 传输分配在特定的时间窗口内完成。
• 网络中各个节点达到一定精度的时钟同 步，这就要求每个节点均有一个各自的 本地时钟（local time），时间主节点发 送特定 ID 的参考消息实现各节点的时 钟同步，即以系统的全局时钟统一校时。
CAN技术概念(4)
• 总线值（Bus Values）： 总线有一对互 补的逻辑值： 显性或隐性。如果显性位 和隐性位同时传送，总线上的逻辑值将 为显性。如果以0表示显性电平，1表示 隐性电平，总线逻辑就符合“线与”关 系。表示逻辑电平的物理状态（如： 电 压、光强等）在规范中没有给定。
CAN技术概念(5)
CAN的LLC与MAC子层主要功能
CAN技术概念(1)
• 比特率（Bit Rate）： 在不同的系统中 CAN的传输速率是不同的。但是，在一 个给定的子网系统里，比特率是统一的 和固定的。 • 优先权（Priorities）： 在总线访问期 间，标识符定义了一个静态的报文优先 权。
CAN技术概念(2)
CAN技术概念(Leabharlann Baidu)
• 仲裁（Arbitration）： 只要总线空闲，任何 节点都可以开始发送报文。如果2 个或2 个以 上的节点同时开始传送报文，那么总线访问冲 突通过标识符的逐位仲裁来解决。仲裁的机制 确保了信息和时间都不会损失。当具有相同标 识符的数据帧和远程帧同时发出时，数据帧优 先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发 送位的电平与监测到的总线电平进行比较。如 果电平相同，则这个节点可以继续发送。如果 发送的是一隐性电平而监测到的是一显性电平 那么该节点已经失去了仲裁，必须退出不能再 发送后续位。
事件触发方式
• 网络中所有活动都是由事件的发生所引 起的，但是事件的产生是随机的、偶发 的，何时会有一个事件触发是不可预知 的，这就很可能导致网络中的事件之间 发生冲突。CAN 总线就是一个基于事件 触发协议的通讯总线。
事件触发方式的缺点
• 由于该协议机制本身缺乏决定机制、同 步和容错等特征，网络中的事件间的冲 突会导致整个网络的实时性降低，因此， 事件触发机制并不适用于对安全要求非 常苛刻的硬实时系统。 • 对于实时性和可靠性要求非常苛刻的硬 实时系统还是有赖于基于时间触发方式 的总线及协议的发展。
• 远程数据请求（Remote Data Request）： 通过发送远程帧，一个需要数据的节点可以请 求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和相应 的远程帧具有相同的标识符。 • 报文（Messages）： 总线上的信息以固定格 式的报文进行传输，报文的长度可以不同，但 都是有限的。这里的报文也就是数据链路层的 数据传输单元——帧。每帧的长度因类型或数 据的差异在44～108位（标准格式帧）或者 64～128位（扩展格式帧）之间变化，这里未 包括位填充产生的长度。
• 随着整车的安全性能要求越来越高，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：TimeTriggered CAN(TTCAN)、TTP 和 FlexRay。
时间触发方式总线的产生背景
• 汽车中的X-by-wire（线控系统）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，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。
第4章 CAN总线
第5讲 主要内容 1 TTCAN协议的通信原理 2 软硬件环境的建立
总线两种触发方式概述
• 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。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。
• 排列抖动时间Ji：消息产生到达排队窗 口的延时时间。 • 最大传输时间Ci：一个消息在总线上传 输所需最大时间。 • 等待时间ti：消息进入队列到被发送出 去的最大延时。
消息的可调度性
• 一个进入排队窗口的消息必须在下一个 消息到来之前发送出去， 如果消息没有 及时传送出去会被下一个周期的该消息 所覆盖。 • 消息i 的最糟糕响应时间Ri 与抖动时间J i 之和要小于该消息的周期值。即 Ri+Ji<Ti以及Ri<Di
时间窗的分配原则
• 在对消息分配独占窗的过程中，应当先 安排周期短的消息，然后考虑周期长的 消息，剩下的时间窗则可用作仲裁窗来 发送事件触发的消息，将所有的消息都 安排好时间窗后剩余的时间窗则可作为 自由窗在系统扩展时使用。
划出合理的时间窗的长 时间窗长度
• 划出合理的时间窗的长度是关键所在。 • 矩阵周期分两种： 1）基本周期较长、时间触发次数和时间 窗较多、基本周期的数目较少的系统矩 阵。 2）基本周期较短、时间触发次数和时 间窗较少、基本周期数目较多的系统矩 阵。
TT2FPS 算法的原理（续）
• 每个消息按照截止时间单独调用(DM) 算法分配消息的优先级 （ 默认为消息的 截止期小于消息周期）。 • 系统运行时， 以主节点发出的同步消息 作为基本周期的起始， 被规划在同一基 本周期内的消息同时发送，并按CAN 总 线的自身仲裁机制传输。
矩阵周期的定义
• 矩阵周期（Matrix Cycle）由多个基本周期 （Basic Cycle）组成，一个基本周期对应矩 阵周期的一行，矩阵周期的整个长度被称为一 个矩阵周期。 • 每个基本周期又由多个时间窗组成，并且处于 同一列的时间窗构成了系统矩阵的列。每个基 本周期的时间窗组成可能不同，各时间窗的长 度及所完成的任务也可能不同，但同一列的 各个时间窗的长度应当相同。
TTCAN协议的基本原理
• TTCAN（Triggered Controller Area Network）即时间触发控制器局域网。 • TTCAN 在 CAN 协议事件触发方式基础上引 入了实时性更强的时间触发协议机制，它将两 种协议机制相结合，采用了时间触发和分时多 路（Time Division Multiple Access：TDMA） 方式进行通信，从而提高了总线网络的实时性 能，并使得TTCAN 总线带宽利用率大大提高 以适应线控技术的需求。
TTCAN协议的基本原理（续2）
• 实现各节点的时钟同步，即网络各节点 每收到一次参考消息，各节点本地时钟 被同步一次；在时钟同步的基础上，各 节点按照系统同步时间通讯表（以下简 称系统矩阵）的调度安排，在规定的时 间窗内完成相应的任务，从而实现周期 性地传输消息。
TTCAN 总线的时间特性图
CAN 总线时间特性图的专业术语
• 截止时间Di：是指一个消息被正确传输和接收 的最大允许时间, 超过此时间它就失去了意义。 消息的截止时间小于消息周期。 • 消息周期Ti：指前一个消息发送到下一个消息 发送之间的间隔。 • 最糟糕响应时间Ri：从该消息进入发送节点排 队窗口到该消息被目的节点正确接收所用最长 时间。
CAN 总线时间特性图的专业术语 （续）
时间触发方式（续）
• 静态调度表被下载到各节点的控制器中， 通信系统的分支系统只需知道何时传送 一条消息以及何时在总线上的一条消息 对自己是有用的。时间触发结构的主要 优点之一是组合能力，这使得将一个新 的部分整合到系统中时能够减少对新的 部分的测试，这是设计对安全性要求苛 刻的系统时的关键因素。
事件触发方式的缺点（续）
• 在最差条件下存在着传输不可预知、容 错能力差、低优先级消息容易被阻塞、 总线负荷不平均等不足。尤其是当系统 进发消息较多， 即在小时间间隔中出现 较多的连续消息时， 某些低优先级的消 息会由于高优先级消息长时间占用总线 而被阻塞， 使得整个系统性能遭到破坏。
事件触发方式的优点
• 睡眠模式/唤醒（Sleep Mode/Wakeup）： 为了减少系统的电源消耗，可以将CAN 器件 设为睡眠模式以停止任何内部活动和断开总线 驱动器与总线的连接。进入睡眠模式的CAN 器件可由任何总线活动或系统内部条件唤醒。 唤醒时，CAN器件内部运行重新开始。MAC 子层要等待一段时间使系统的振荡器稳定，然 后还要等待一段时间直到与总线活动同步（通 过检查11 个连续的隐性位），才将总线驱动 器被重新设置为在线（OnBus）。
TTCAN的非周期型消息
• 非周期型消息指的是对实时性要求不高， 没有规定发送周期的消息；与 CAN 总 线的仲裁机制相同，TTCAN 网络中的 非周期型消息在规定的时间段内需要与 其它的非周期型消息互相竞争，争夺总 线的使用权。
时间窗类型
• 时间窗共分三种类型：独占窗、仲裁窗和自由 窗。 • 独占窗主要用于周期型消息的发送，并且只允 许一个节点发送一条周期型消息。 • 仲裁窗对应的时间段内允许多个节点发送多条 非周期型消息，通过 CAN 总线的“逐位仲裁” 机制决定最终由一个节点发送消息。 • 自由窗作为系统扩展时使用。（保留窗）
• 它有额外开销小和实现简单。 • 采用固定优先级调度算法：标识符ID值 的大小确定节点的优先级。例如，CAN 总线ID的值为0，其优先级最高。ID值 越大，其优先级越低。
时间触发方式
• 基于时间触发方式的协议是基于时间触发结构 而产生的。所有节点根据时间同步化，每一个 在网络上的活动都打上了时间标记。系统中的 任务根据工作之前制定的时间表分配好了相应 的总线时间，因此，在采用时间触发方式通讯 的总线网络中，节点都按照事前制定的静态调 度时间表（又称为矩阵周期）完成任务，节点 总按照相同的顺序传送消息。