毛亞鵬

（清華大學計算機系，北京 100084）

基于DSP的時間觸發(fā)總線設計與實現(xiàn)

毛亞鵬

（清華大學計算機系，北京 100084）

網(wǎng)絡通信系統(tǒng)是現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)以及其他分布式實時容錯系統(tǒng)的中樞，基于時間觸發(fā)架構的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)是一個重要的發(fā)展方向；首先對于TTP／C協(xié)議的基本架構以及上電群啟動過程，全局時鐘同步，容錯策略等關鍵技術進行介紹，然后提出一種基于TTP的時間觸發(fā)總線協(xié)議，并基于DSP實現(xiàn)協(xié)議控制器進行時間觸發(fā)通訊；結果表明時間觸發(fā)總線具有良好的時間確定性，容錯特性以及較高的總線利用率，適用于航空，鐵路，汽車等安全關鍵系統(tǒng)的底層網(wǎng)絡通信。

時間觸發(fā)；時鐘同步；容錯策略；時間確定性

0 引言

隨著航空電子系統(tǒng)等分布式實時容錯系統(tǒng)的逐步發(fā)展，其對于網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的實時性和可靠性需求也在不斷提高，相較于原有的事件觸發(fā)總線如ARINC429，1553B，CAN，以太網(wǎng)等，時間觸發(fā)架構的總線如TTP，TTCAN，F(xiàn)lex Ray，TTEthernet等具有更高的實時性和可靠性，同時也大大提高了總線的利用率，減少了通信沖突所帶來的資源消耗。

在上述基于時間觸發(fā)架構的總線中，TTP總線是首個被SAE（美國汽車工程師協(xié)會）標準化的通信協(xié)議。TTP總線主要有兩種標準：TTP／A和TTP／C［1］，其中TTP／A面向SAE的A類標準，適用于汽車電子等成本較低的非關鍵應用，而TTP／C面向SAE的C類標準，主要面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)。

TTP／C協(xié)議是基于時間觸發(fā)架構的高速，雙余度，多點串行的硬實時容錯現(xiàn)場總線協(xié)議，可支持5Mbps，25Mbps。目前已經(jīng)在航空航天領域得到了較多實際應用［2］，如洛馬公司F16及意大利馬基公司M346上的全權數(shù)字發(fā)送機控制系統(tǒng)FADEC、空客公司A380的客艙壓力控制系統(tǒng)、波音公司B787“夢想”客機的電源及環(huán)境控制系統(tǒng)等，同時，NASA的新一代載人飛船“獵戶座”也使用了基于時間觸發(fā)架構的TTE網(wǎng)絡。

本文將首先介紹TTP／C協(xié)議的基本架構，以及上電群啟動，全局時鐘同步，容錯策略，調(diào)度表配置等關鍵技術。然后依據(jù)其協(xié)議與實際需求，提出基于DSP的協(xié)議控制器實現(xiàn)方案，定義合理的數(shù)據(jù)幀格式，并給出實際通訊波形。結果表明時間觸發(fā)總線協(xié)議具有良好的時間確定性和容錯特性。最后，總結了開發(fā)過程中的重點和難點，并對于后續(xù)工作進行展望。

1 TTP基本架構和通信原理

TTP總線的基本架構［3］如圖1所示，一般配置為總線型或星型拓撲結構。每個節(jié)點通過通信接口訪問總線，總線具有雙通道以避免單個信道或者節(jié)點故障導致的問題。節(jié)點之間通過廣播的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)通過兩條通信鏈路進行冗余傳輸。

圖1 TTP基礎架構

每個節(jié)點分成應用層和TTP通訊層，應用層包括主機層以及與之相連的傳感器，作動器等，主機層通過CNI（通信網(wǎng)絡接口）與下層TTP控制器進行數(shù)據(jù)交換，TTP控制器主要包括TTP協(xié)議處理器，TTP信息描述表（MEDL），并通過總線開關與TTP總線通道相連。TTP信息描述表存儲著控制器的調(diào)度控制數(shù)據(jù)，包括基本的通信行為和必要的啟動、集成參數(shù)，調(diào)度方案ID以及時間觸發(fā)相關的TDMA參數(shù)，而TTP協(xié)議處理器則負責按照信息描述表來控制節(jié)點的發(fā)送和接收等通訊行為，總線開關負責在節(jié)點失效時關斷以防失效節(jié)點干擾總線上正常數(shù)據(jù)通訊。

TTP總線的通訊過程如圖2所示，以時間觸發(fā)的方式，基于時分復用的思想，所有節(jié)點在全局統(tǒng)一的時鐘下，在規(guī)定的時間序列規(guī)定的時刻進行數(shù)據(jù)的發(fā)送接收任務。整個傳輸時間軸由重復的集群周期組成，每個集群周期內(nèi)分成多個TDMA周期，每個TDMA周期被分成多個不等長的時間槽，每個節(jié)點都在各自分配到的時間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免通信沖突。

圖2 TDMA調(diào)度

2 TTP關鍵技術

基于時間觸發(fā)通信的一個首要條件是建立一個全局同一的時鐘，這個過程需要在啟動過程中就開始建立，同時，容錯冗余策略對于分布式安全關鍵系統(tǒng)也是必需的，此外調(diào)度表的合理規(guī)劃對于整體效率也有顯著提高。

2.1 全局時鐘同步

TTP時鐘同步原理［4］為：總線上的節(jié)點將會在各自規(guī)定的時間槽內(nèi)進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并且都知道具體的收發(fā)時刻，通過實際幀的接收時刻和MEDL表中預置的接收時刻的差值，來計算本地時鐘與全局時鐘的偏移值，并以此來校正本地時鐘，實現(xiàn)全局時鐘同步。其中參與偏移值計算的幀發(fā)送節(jié)點被稱為同步主節(jié)點，主節(jié)點時鐘精度較高，通常需要保持主節(jié)點個數(shù)不少于4個以避免拜占庭錯誤。其余節(jié)點則稱為從節(jié)點，從節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不參與接收時刻差值的計算。

TTP具體時鐘同步算法流程如下：

1）每個節(jié)點需要N個寄存器用于存放時間偏移值，其中N為主節(jié)點個數(shù)，不少于4個。

2）每個節(jié)點收到主節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，計算與MEDL表中預置接收時刻的偏差，寄存器中始終保存最近的N個偏移值。

3）去除N個偏移值的最大值和最小值，對其余值求平均，得到平均時間偏移值。

4）根據(jù)全局調(diào)度表配置，每個節(jié)點都在每個TDMA周期末尾的固定時間槽進行時間偏移計算及校正。

2.2 群啟動過程

群啟動過程［5］是在系統(tǒng)上電或復位重啟時用以建立集群時間同步和狀態(tài)一致的過程，圖3為群啟動過程狀態(tài)圖。啟動過程中，所有節(jié)點均正常上電并初始化，其中啟動節(jié)點進入啟動狀態(tài)，其余備用啟動節(jié)點和從節(jié)點進入監(jiān)聽狀態(tài)。啟動節(jié)點進入啟動狀態(tài)后周期性發(fā)送包含全局時間及狀態(tài)信息的啟動幀直到到達預設發(fā)送次數(shù)，其他節(jié)點監(jiān)聽并接收到啟動幀后轉(zhuǎn)入被動狀態(tài)，并通過分析啟動幀中的時間及狀態(tài)信息調(diào)整到統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘，進入主動狀態(tài)正常進行時間觸發(fā)通信。

圖3 群啟動狀態(tài)

假如啟動節(jié)點未正常運作發(fā)送啟動幀，備用啟動節(jié)點在監(jiān)聽預置的時間超時后，轉(zhuǎn)變到啟動狀態(tài)，替代未正常工作的啟動節(jié)點發(fā)送啟動幀以使集群正常啟動。不同備用啟動節(jié)點預置的超時時間不同，以避免啟動幀沖突或產(chǎn)生不同的啟動狀態(tài)。

2.3 容錯策略

TTP協(xié)議的容錯策略主要為成員關系確認算法。TTP協(xié)議通過擴展的CRC維護節(jié)點間成員關系列表，即數(shù)據(jù)幀中不包含成員關系列表，但是CRC校驗和是結合關系列表來計算得到，因此接收節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)幀后結合本地的成員關系表進行CRC校驗，若結果一致，則表明接收正確，同時成員關系也正確，則在后續(xù)數(shù)據(jù)幀的附加部分給出確認狀態(tài)。發(fā)送端節(jié)點會在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后監(jiān)聽兩個后續(xù)幀狀態(tài)，若至少有一幀給出確認狀態(tài)則認為數(shù)據(jù)發(fā)送成功，若兩幀均無確認，則認為發(fā)送失?。?］。

2.4 調(diào)度表配置

時間觸發(fā)架構節(jié)點按照預先配置的調(diào)度表來確定各自的發(fā)送和接收時間，每個節(jié)點均有各自的時間槽。調(diào)度表需要確定集群周期以及TDMA周期的長度，TDMA周期內(nèi)各個時間槽的長度和起止時間。這些數(shù)據(jù)的確定需要考慮實際節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的周期以及長度，當節(jié)點數(shù)較少或者總線負載較低時，可以簡化調(diào)度表模型以方便配置。當節(jié)點數(shù)量較多且數(shù)據(jù)信息種類也較多，如有多個發(fā)送周期，長度不同等，則需要在滿足數(shù)據(jù)發(fā)送要求的情況下盡量減少時間片總長度，提高效率的同時提供更多的時間用于突發(fā)消息的傳輸。由于調(diào)度表為預先配置，因此可以使用較耗時的優(yōu)化算法［6 7］提前規(guī)劃，以使總線運行狀態(tài)達到最優(yōu)。

3 基于DSP的時間觸發(fā)總線設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)框圖

節(jié)點協(xié)議控制器以TMS320F28069來實現(xiàn)，通過兩路SCI經(jīng)過MAX3535E轉(zhuǎn)換芯片連接到RS485總線進行時間觸發(fā)通訊。TMS320F28069作為協(xié)議控制器，向上通過主機接口與主機交互，包括數(shù)據(jù)傳輸以及MEDL表的配置部署；運行時負責整個協(xié)議框架的調(diào)度運行，包括精確定時和時鐘同步，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)通過SCI串行通信接口經(jīng)過MAX3535E轉(zhuǎn)換芯片連接到RS485總線，由于TTP需要兩個物理層通道，因此使用兩個接口分別連接到兩個通道，其中MAX3535E提供發(fā)送使能控制，使每個節(jié)點只有在自己的發(fā)送時間槽才占用總線。

3.2 幀格式

根據(jù)TTP協(xié)議以及部分實際需求，定義如圖5所示幀格式。

幀長度為128字節(jié)，由幀頭、有效數(shù)據(jù)段和校驗位組成。幀頭包含8個字節(jié)，分為幀起始位，啟動指示位，同步指示位，兩個確認位，保留位，周期ID，幀ID，目的地址，有效數(shù)據(jù)長度，幀頭CRC校驗。幀起始位用于指示幀的開始，啟動指示位用于指示當前幀是否為啟動幀，同步指示位則指示當前幀為同步幀，兩個確認位用于實現(xiàn)后續(xù)幀對于前面幀的接收確認，保留位用于后續(xù)功能擴展。周期ID和幀ID用于指示當前幀在集群周期中的位置，目的地址用于指示接收節(jié)點，數(shù)據(jù)長度用于指示有效數(shù)據(jù)段長度，最后是幀頭的CRC校驗以驗證幀頭段的正確性。

圖4 系統(tǒng)框圖

圖5 幀結構

有效數(shù)據(jù)段長度可變，范圍為0～116字節(jié)，用于傳輸實際應用數(shù)據(jù)，如果啟動幀或同步幀無數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則有效數(shù)據(jù)段為0。由于幀頭數(shù)據(jù)長度段表示范圍限制，有效數(shù)據(jù)段長度以字節(jié)為單位。

CRC校驗用于校驗幀頭和有效數(shù)據(jù)段，長度為4字節(jié)，選取CRC－32標準多項式0x104C11DB7.

3.3 通訊流程

各個節(jié)點控制器運行通信軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件通信流程

預先選取時鐘精度高且穩(wěn)定的節(jié)點作為主節(jié)點，負責系統(tǒng)啟動與全局時鐘同步，主節(jié)點在上電復位初始化后按照群啟動流程發(fā)送啟動幀，從節(jié)點中的備用主節(jié)點負責在監(jiān)聽超時后發(fā)送啟動幀，以確保系統(tǒng)正常啟動。正常啟動后各個節(jié)點按照MEDL表中預置時序邏輯執(zhí)行任務，在各自時間槽到達時發(fā)送相應數(shù)據(jù)幀或同步幀，并在相應時間接收總線上數(shù)據(jù)，其余時間處理節(jié)點的非通訊任務。接收模塊在接受到數(shù)據(jù)幀后首先進行校驗位判斷，如果校驗位出錯，則將對應確認位置位以供發(fā)送節(jié)點判斷，若校驗位正確，則解析有效數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)以供主任務使用，同時解析幀頭段狀態(tài)以獲取確認位信息，并記錄錯誤或進行對應處理。各流程結束后均回到時序判斷狀態(tài)，等待下一個任務。

3.4 測試與實驗

按照前述系統(tǒng)框圖及幀定義，流程設計實現(xiàn)實驗用平臺，包含3個節(jié)點，其中1號節(jié)點為主節(jié)點，負責啟動及同步幀的發(fā)送，2，3號節(jié)點為從節(jié)點，主要發(fā)送數(shù)據(jù)幀。整個集群周期時序設計由于節(jié)點數(shù)有限，實驗時設計為主節(jié)點在每個周期發(fā)送同步幀，之后1，2，3號節(jié)點依次發(fā)送數(shù)據(jù)幀，每個時間槽時長為1 ms，波特率設置為2.5 Mbps，以10 ms為周期。節(jié)點信息描述表（MEDL）需預先配置，包括集群周期的時序，以及相關節(jié)點間數(shù)據(jù)幀的傳輸處理時延，定時器的最小時間單位等。

圖7 從節(jié)點時間偏移值

圖7所示為主從節(jié)點間通過每個周期全局時鐘同步后從節(jié)點的時間偏移值，在200個采樣周期中，從節(jié)點偏移值基本保持在10μs以內(nèi)，極少數(shù)周期出現(xiàn)偏移值達到40μs。因此在實際通信實驗的時間槽分配中預留偏移時間為100μs以避免多個節(jié)點間時間重疊而產(chǎn)生的通信沖突。

4 結論

時間觸發(fā)協(xié)議總線基于時間觸發(fā)架構，由于沒有通信沖突，既減小了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的需求，同時也極大提高總線利用率；同時通過提供精確全局時鐘同步并按照時序進行數(shù)據(jù)傳輸，提供了較好的時間確定性和實時性；采用成員關系表及雙通道等容錯策略，提供了錯誤的精確隔離便于診斷和應對；同時由于底層通訊與主機應用層的分離架構，利于實現(xiàn)設備的并行開發(fā)和維護，并降低了系統(tǒng)的壽命周期成本［8］。這些特性很好的滿足了航空電子系統(tǒng)的需求，同時也會逐漸被應用到鐵路，汽車等安全關鍵系統(tǒng)中。

通過對于時間觸發(fā)協(xié)議總線的通信原理及關鍵技術的分析，搭建了基于DSP的協(xié)議控制器以及總線通信實驗平臺，設計合理的幀結構以及軟件流程，實現(xiàn)基本的時間觸發(fā)架構并進行通信實驗。對于TTP協(xié)議中的容錯策略，目前還未完全實現(xiàn)，因此在之后的工作中需要實現(xiàn)協(xié)議中的容錯服務，并嘗試應用到具體的工程項目中。

［1］Time－Triggered Protocol TTP／C High－Level Specification Document Protocol Version 1.1［S］.Specification edition 1.5.2 of 5－Jan－2004 Document number D－032－S－10－028.

［2］金德琨，敬忠良，王國慶，等.民用飛機航空電子系統(tǒng)［M］.上海：上海交通大學出版社，2011.

［3］Kopetz H，Grünsteidl G.TTP－A time－triggered protocol for fault－tolerant real－time systems［A］.The Twenty－Third International Symposium on Fault－Tolerant Computing，1993［C］.FTCS－23.Digest of Papers，IEEE，1993：524-533.

［4］Leen G，Heffernan D.TTCAN：a new time－triggered controller area network［J］.Microprocessors and Microsystems，2002，26 （2）：77-94.

［5］張興隆，蘇羅輝，楊 敏.基于FPGA的時間觸發(fā)協(xié)議控制器實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學報，2010（A01）：114-118.

［6］Zeng H，Natale MD，Ghosal A，et al.Schedule optimization of time－triggered systems communicating over the FlexRay static segment［J］.Industrial Informatics，IEEE Transactions on，2011，7 （1）：1-17.

［7］Lukasiewycz M，Glab M，Teich J，et al.Flex Ray schedule optimization of the static segment［A］.Proceedings of the 7th IEEE／ACM international Conference on Hardware／Software Codesign and System Synthesis［C］.ACM，2009：363-372.

［8］Kopetz H，Ochsenreiter W.Clock synchronization in distributed real－time systems［J］.IEEE Transactions on Computers，1987，100（8）：933-940.

Design and Implementation of Time－Triggered Protocol on DSP

Mao Yapeng

（Department of Computer Science and Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The communication network system is the key technology to the avionics system and other distributed real－time fault－tolerant systems，and the communication network systems based on Time－Triggered Architecture indicate an important upgrade direction.It firstly introduces the basic structure of TTP／C，and the key technologies like start－up process，global time synchronization，fault－tolerant strategy.Then introduces a simplified time－triggered protocol based on TTP／C，and implements the protocol controller on DSP to realize the time－triggered communication.The results show that time－triggered protocol is quite a suitable communication network system for the avionics system，railway system，automotive system and other safety－critical system with its time determinability，fault－tolerant strategy and higher bus utilization rate.

time－triggered；time synchronization；fault－tolerant strategy；time determinability

1671-4598（2016）08-0209-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.057

：TP393

：A

2016-01-28；

：2016-03-10。

毛亞鵬（1990-），男，浙江紹興人，碩士研究生，主要從事總線通信技術方向的研究