摘要 TTCAN通過獨占窗口的方式解決消息傳送的確定性問題，提高總線利用率，試圖滿足應用發展的要求。但是在惡劣環境的高誤碼率下，傳送的可靠性下降，容錯的措施不成熟，成本較高。再考慮TTCAN的其他得失，認為它不是性價比高的CAN技術升級方案。

關鍵詞 CAN TTCAN 時間觸發協議 誤碼率

　　2002年左右國外推出的TTCAN是一種時間觸發的通信協議，在我國電動汽車“863”攻關項目及地方的科研項目中有許多嘗試，目的是判斷它能否成為新一代汽車的通信骨干網絡。在研制中，它們一般規模較小，總線負載較輕，試驗環境并不十分惡劣，對誤碼造成的丟幀不容易發現，且未經長期考驗，所以沒有發現什么問題；但對于大量生產的汽車，必須全面認識TTCAN的優劣，以及汽車控制用總線的技術走向，才能避免采用新技術帶來的技術與經濟風險。本文試圖從可靠性與經濟性角度對TTCAN作些分析，供大家決策時參考。

1 TTCAN興起的推動力量

　　TTCAN是在CAN的基礎上發展起來的一種高層協議，它的出現是為解決CAN應用中遇到的瓶頸而作的一種試探。

　　現在，TTCAN已被采納為國際標準ISO118984；但在工業上也只是試驗性的應用，沒有見到大規模的采用。雖然如此，對它興起的原因進行分析仍然會對我們有很大的啟發，正是這些需求構成了評價一種新技術優劣的依據。CAN是成功的一種現場總線，在今天依然是應用的主力，經過近20年的實踐，對它的局限也有了較多的認識[1]。這里不重復其中總結的內容，僅從應用的角度來說明CAN所面臨的問題。

1.1 為滿足時限要求不得不降低總線利用率

　　CAN是事件觸發協議，當許多消息同時要求發送時，競爭結果使低優先級消息發送的時間推后很多，甚至不能滿足其時限的要求。

　　現以一個SAE benchmark為例[1]。該例有5條5 ms周期的消息，其幀長含1B、2B、1B、2B和4B數據，其余為50、100和1 000 ms的消息。在參考文獻[1]中，消息可能的長度計算小了，但即便這樣，對于5 ms周期的消息在125、250、500 kbps和1 Mbps的總線速率下，響應時間為4.456、2.228、1.114、0.557 ms。由于這些消息都置于較高優先級，它們只可能被一個低優先級4B數據消息阻斷1次。我們可以只算這幾條消息而估計相應總線的通信負載為75 kbps，對應的總線利用率為60%、30%、15%和7.5%。

　　現在看看響應時間對于應用意味著什么：一個閉環控制系統以5 ms為采樣控制周期，在壞響應時間為4.456 ms時，執行器產生的反饋控制效果在下一次采樣前維持的時間壞為5-4.456=0.55 ms，長為5 ms。顯然在這種變動巨大的情況下，控制參數只能取得比較保守，例如微分和積分增益不能太強。這就極大地限制了控制品質的提高。有些控制算法對這種純遲后的變化更為敏感，例如smith預估，因此為了保證品質，只能取較低的總線利用率。對于以品質為的整車廠，這是的選擇，而取較低的總線利用率意味著成本的提高。

1.2 汽車廠是對成本非常敏感的企業

　　如果總線利用率只有20%~30%，隨著安全、節能與舒適性要求的提高，要增加更多消息而不希望增加成本。1條總線不夠，在技術上可再加，或者是連接2個ECU的專用總線，或者是連多個ECU的附加總線。要在2條CAN總線中加網橋，不要說復雜性的增加，成本的增加就很大。以一個網橋200元算，年產20萬臺車的廠家要增加4 000萬元成本。如果把總線利用率提高到60%，這錢就省下來了。

1.3 CAN的開發與應用成本較高

　　為了使低優先級消息發送時間減少，不得不修改消息的優先級分配，這種變化增加了維修、管理的成本。由于系統中消息量與種類的變化，消息的送達時間會變化，又增加了認證和驗證的工作量和成本。在開發新功能方面，也受到消息優先級設置上的相互影響，不易單獨推進。

1.4 CAN達不到線控技術的要求

　　線控技術可能簡化汽車的結構、降低成本、提高控制能力，是一個重要發展的方向。但要達到與原來機械—液壓系統同樣的可靠性，需要通信系統有更高的確定性與冗余度。CAN達不到這一確定性要求，所以要改進。當然，新的協議不能在性能上比CAN還差。

　　通過時間觸發協議，使消息在調度好的時間片內發送，可以消除總線的爭用，消息傳送的確定性得到了保證，總線的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周期性質，需要提供合理的帶寬與時隙分布。TTCAN就在這種背景下出現了。幾乎同時出現的還有其他時間觸發協議，早一點的有TTP/C,晚一點的有FTTCAN、FlexRay等。它們都是在特定時隙指定周期性消息或事件消息的傳送，細節上雖有區別，但沒有根本的區別。與其他協議比較，TTCAN的優點是它用現有的CAN芯片就可以實現，因此價格便宜。這些經濟上的考慮是TTCAN出現的直接推動力量。

2 TTCAN的簡要內容

　　參考文獻[2]有TTCAN的詳細介紹。它的作者是TTCAN技術專利發明人、標準起草人。這里僅將它的幾個要點摘出：

　　① TTCAN用System Matrix組織時間片。它相當于一個大周期，一個System Matrix里又分為2n個Cycle。在每個Cycle開始處，由時間上的Master節點發Reference消息，時間上的從節點對Reference進行同步,這樣就建立了全局時鐘。
　　② Cycle里可以劃分為若干長度不同的Slot（時隙），但每個Cycle的Slot劃分是一樣的。
　　③ Slot的用途有3種：Exclusive Window(獨占窗)、Arbitration Window（仲裁窗）和 Free Window（空窗）。Exclusive Window用于周期性消息發送，Arbitration Window用于事件消息的爭用，Free Window用來備用。
　　④ 禁止消息跨窗口的發送，只有相連續的Arbitration Window除外。為此，禁止CAN的出錯自動重發功能。在Arbitration Window內爭用的消息要先判斷能否發完，如能發完，才可參加爭用。
　　⑤ Slot用途的指定是由調度器來實現的，它不是標準的內容，然而事件消息在Arbitration Window的爭用并不是嚴格意義上的隨到隨爭用。按參考文獻[2]的想法，事件消息是偶發消息，應用程序可以預先安排幾個偶發消息到一個Arbitration Window，再任它們爭用。
　　⑥ 在一個Cycle里，Slot的用途不受約束。

3 TTCAN的缺點與問題

（1） TTCAN與CAN是不兼容的

　　TTCAN要求獨占窗，因此它不能和CAN混合使用在一個系統中。帶CAN通信口的ECU不受TTCAN的約束，可在任意時刻發送，就有可能在總線空閑時爭得發送權，使TTCAN的調度發送完全失效。汽車廠在采用TTCAN時必須將所有要用到的ECU都改為用TTCAN的方式，這就要重新認證和驗證所有的ECU，涉及大的工作量和投資。如果用網關將CAN的ECU過渡到TTCAN網，其成本的增加更大，只具有實驗意義。