汽车网络通信协议TTP_C和FlexRay的研究分析
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文章编号:1002-4581(2006)06-0040-04
汽车网络通信协议TTP/C和FlexRay的研究分析
王婧,张欣
WANGJing,ZHANGXin
(北京交通大学机电学院,北京100044)
摘要:随着线控(X-by-wire)技术在汽车电子控制领域的应用,适应下一代高速通信系统要求的新汽车网络通信
协议成为专家们的主要研究方向。目前,存在两种通信协议:TTP/C和FlexRay[1]能够满足线控(X-by-wire)技术高速、容错和时间触发[5]的要求。文中针对这两种基于时间触发的通信协议进行比较分析。
关键词:汽车网络通信协议;TTP/C;FlexRay;X-by-wire
中图分类号:TN915.04:U463.6文献标识码:C
0前言
TTP/C是奥地利H.Kopetz于1993年提出的满足SAEC级网络的时间触发协议[6],被致力于
时间触发系统研究的奥地利公司TTTECH采用。目前的主要支持者是:奥迪,Honeywell,阿尔卡特等。
FlexRay
[7]
是近几年出现的一种总线协议。
1999年,宝马公司和戴姆勒-克莱斯勒公司认为现有的通信网络无法满足未来X-by-wire系统的要求,因此在2000年9月联合飞利浦和摩托罗拉成立了FlexRay联盟,致力于建立一个新的高
级通信系统,以适应未来高速汽车控制系统的要求。目前,该联盟有7个核心成员:宝马,博世,戴姆勒-克莱斯勒,飞思卡尔,通用汽车,飞利浦,大众。
文中针对FlexRay和TTP/C这两种基于时间触发的汽车网络通信协议的特点和应用前景进行较为全面的比较,目的是分析FlexRay和TTP/C的结构、工作原理、性质特点以及应用前景。
图1TTP/C
的节点结构
municationController)。主机和通信控制器由通信网络接口(CommunicationNetworkInterface)连
接。
FlexRay的节点结构与TTP/C的节点结构类
似,但具体的结构部分不同。在物理连接结构方面,FlexRay的总线监控与其监控的节点共用电源和同步时钟(如图2)。而TTP/C的总线监控有其独立于监控的节点的电源和同步时钟。
在通信网络接口方面,对于动态结构数据的处理,TTP/C用信息描述表
[9]
1TTP/C和FlexRay的系统结构
TTP/C的节点结构如图1[1]所示。每个节点包括主机(hostcomputer)和通信控制器(Com-
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(MEDL,Message
DescriptorList)储存所有的动态数据,以便通信
协议启动之前,能够加载到通信控制器中,这导致了相当庞大的信息描述表。FlexRay则是把许
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知原则自动安排信息的发送时间(如图3)。网络上每个节点的控制器在信息描述表中保存有自己的控制数据,这些控制数据定义了这个控制器发送信息的时间。在运行时,TTP/C通信控制器按照一定精度把最小可替换单元的本地时间同步,产生一个公共时间基准。每当这个公共时间定时到某一个信息描述表中定义的事件时刻(发送或接收)时,通信控制器就执行对应的发送或接收操作[10]。
FlexRay的总线访问方式是把一个通信循环
分为静态段和动态段,静态段采用时分多址实现时间触发,动态段则采用灵活时分多址(FTD-
图2FlexRay的节点结构
[6]
多参数固定在通信协议定义中,其余的动态结构数据则须在控制器启动前加载到控制器。
MA,FlexibleTimeDivisionMultipleAccess),
如图4所示。这样,FlexRay比TTP/C更灵活。
时间触发的缺点是灵活性差,虽然TTP/C设计时,可以灵活地选择每个节点传输数据长度,但是系统确定后就不能再改变,而且以后节点的扩充也很难,除非在原先设计时就已经考虑到了[1]。并且,FlexRay帧的最大长度为254字节,TTP/C帧的最大长度为240字节,这意味着FlexRay比
[8]
2时间触发和事件触发传输
在总线访问方式上,TTP/C和FlexRay都提供了时间触发和事件触发两种传输方式。但具体的实现过程和对两种传输方式地位的处理不同。
由于未来的“线控”系统对实时性和可靠性具有比较高的要求,所以时间触发传输是目前汽车电子市场上的主流。TTP/C和FlexRay都采用时分多址(TDMA,TimeDivisionMultipleAc-
TTP/C有更大的灵活性。
TTP/C把事件通道设置在时间触发协议之上。TTP/C要求在报文中保留一些字节用于事件
触发报文的传输,因此这一部分带宽只能够在节点内部动态分配,而不能够在节点之间共享。保留的字节采用事件触发协议,例如CAN。这样,只需对CAN进行很小的改动就可以用在TTP/C协议中。而且基本的TTP/C协议不需要进行改动,这说明TTP/C的灵活性并没有因为使用
cess)策略来实现时间触发报文的传送。
TTP/C网络通信协议中,系统根据一定的已
CAN而降低[1]。
FlexRay把事件通道设置在与时间触发协议
平行的位置。事件触发传输灵活性好,可以动态
图3TTP/C的帧、报文、时间槽、TDMA
周期、串循环
地分配带宽,而且在故障诊断以及调试中都需要事件触发消息,所以FlexRay把一个周期分成静态和动态两部分,动态部分用于传递事件信息,把动态部分看作为一个时间片,并采用了Byte-
flight协议,保证一些具有高优先权的数据能够
在总线忙时也有机会发送消息,低优先权的数据在总线空闲时发送消息。这样各个节点可以共享这部分带宽。因此,在事件触发方面,FlexRay
图4FlexRay带静态段和动态段的通信循环
[3]
的节点共享决定了其灵活性更好。
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3容错
“线控”系统要求新的通讯网络协议具有容错的功能。容错功能意味着:即使系统的不同部分出现故障,系统仍将按照设计继续运行。TTP/
4数据效率、系统复杂性和价格比较
4.1数据效率
TTP/C支持的数据范围为236字节以及帧长
度为240字节,并包括3字节的CRC;FlexRay支持的数据范围为250字节以及帧长度为254字节,并包括3字节的CRC。FlexRay中较长的报文尺寸增加了高速系统中的数据效率,并提供了足够的带宽给分布式状态恢复。因此,在一个
C和FlexRay协议都包含容错的同步时钟并用总
线监控器保护通信信道不受错误节点的影响[1]。
任何容错系统的设计都始于错误假设,TTP/
C把错误分成两种并采取不同的方式对待。对第一种错误,TTP/C的容错功能是基于一个部件发
生错误的基础之上,因为实际中任何两个独立部件发生错误的概率是很小的;第二种错误是指不在错误假设范围之内的错误,即第一种错误之外的错误就是第二种错误。因为TTP/C严格遵守时分多址,并且有总线监护器,所以一个节点失效后不会影响其余节点传输信息;当一个通道发
10Mb/s的系统中,FlexRay的时间触发报文可达到的数据效率高于TTP/C系统中的数据效率95.8%。
4.2复杂性
TTP/C支持所有的容错,因此软件的复杂性
不会增加;TTP/C将结合CAN或TCP/IP的事件触发,使得原有的软件可以继续使用;TTP/C的标准化过程提供了相同的主机接口,因此简化了主机的操作系统
[1]
生故障后,可以用另一个通道继续工作;而且
TTP/C支持影子节点[9](shadownode),它是一个
工作节点的备用节点,在正常情况下影子节点可以接收所有节点的信息,但不允许发送信息,当正常节点发生故障时,它就可以利用其时间片发送消息。
。而FlexRay在静态段采用
Byteflight协议,动态段采用FlexRay实现时间触
发,这增加了其复杂性。
FlexRay有总线监护器保护总线在静态段的
传输,要求单一的错误不会导致系统性能下降,并能够容许两个非对称错误。为了支持容错系统,它至少提供4个同步节点。每个节点都接收到一条同步信息,并将其时钟与同步节点的时钟进行比较,然后纠正其时钟,以便与同步节点的时钟相匹配。这样,如果一个节点发生故障,不会干扰其它节点的同步。
如果出现了多个部件发生错误,即发生的错误不在错误假设中,TTP/C和FlexRay都采用不放弃策略对待第二种错误,即,把对执行机构的控制转为本地控制(通常维持执行机构的当前状态),并在10ms内重新启动系统。
如果第二类错误不在错误假设内,而且在安全关键系统测试和工作中不是小概率事件,那么这些错误一定是由于基本设计问题引起的,这样的容错系统不能用在安全关键系统中。
4.3价格
汽车制造商会选择哪种汽车网络通信协议,价格是重要影响因素之一。有关专家认为,对于一个具有十个节点的系统,TTP/C需要12个总成(package)以及12个振荡器,而FlexRay需要
32个总成以及30个振荡器。因为总成和振荡器是决定系统价格的主要因素,所以FlexRay系统要比TTP/C系统的价格高。但也有专家认为虽然FlexRay最初的安装价格比较贵(需要双绞线布线),但是它所支持的技术却能帮助生产商节约
花费在生产线上的时间和金钱。因此对于生产商来说,他们的安装费用下降,而对于用户来说,他们的维护成本下降,维护成本是影响用户选择的重要因素。
5结论
TTP/C和FlexRay都是为了满足未来的“线
控”系统要求而产生的基于时间触发的汽车通信
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网络协议。通过上面的研究分析,可以看出
TTP/CandFlexRay.TU-WienResearchReport23/2002Ver-FlexRay的灵活性超过了TTP/C的灵活性,并且
sion1.5.August28,2002.
也达到了“线控”系统对安全性和可靠性的要[3]GünterReichart.FlexRayEnablerforFutureAutomotive
求。另外,虽然FlexRay联盟成立的时间不长,SystemArchitectures.www.flexray.com.3rdMarch2005.
[4]
ChristopherTemple.FlexRayInternationalWorkshop,
但其成员的增加速度很快,也反映出FlexRay协www.flexray.com.4thMarch2003.
议的发展潜力。因此,由本文分析可知FlexRay[5]罗峰,苏剑,袁大宏.汽车网络与总线标准[J].汽车工在适应“线控”系统的汽车通信网络协议竞争中程.2003,25(6).
更具有潜力。
[6]
JayakanthSrinivasan,KristinaLundqvist.REAL_TIMEARCHITECTUREANANYSIS:ACOTSPERSPECTIVE.IEEE.
2002.
参考文献
[7]http://www.flexray.com/about.php?menuID=2.[1]H.Kopetz.AComparisonofTTP/CandFlexRay.TUWien
[8]www.tttech.com
ResearchReport2001/10,May9,2001.
[9]秦贵和.车上网络技术[M].北京:机械工业出版社,
[2]
H.Kopetz.FaultContainmentandErrorDetectionin
2003.5.
收稿日期:2006-08-07
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第23页)与分析结果吻合。
架设计提供依据。
4主要结论
参考文献
通过建立某轮边驱动电动车的1/4车辆振动[1]HiroshiShimizu,
ThemultipurposeElectricVehicle,
模型,定量计算轮边驱动系统的大质量电动轮对FEDReview,
2003,
Vol.2,
No.8
车辆垂向性能的影响,给出一种针对该类型电动[2]DavidJ.PurdyandDavesimner,
Abriefinvestigation
intotheeffectonsuspensionmotionsofhighunsprungmass,车的悬架阻尼确定方法,研究结论如下:
journalofbattlefieldtechnology,
2004.3Vol.7No.1
(1)非簧载质量增加对车身振动加速度均方[3]Siddiqui,
QwaisMustafa,
Dynamicanalysisofamo-根和悬架动挠度均方根值影响很小,而对车轮动demurbanbusforassessmentofridequalityanddynamicwheel载荷均方根值影响很大,直接影响到车辆的行驶loads,
MasterAbstractsInternational,2000Vol.39-03
安全性;
[4]J.F.Eastham,
DiscmotorreducedunsprungmassfordirectEVwheeldrive,
IEEECatalogNumber:95TH8081(2)在兼顾车身振动加速度和悬架动挠度的[5]GoNagaya,
YasumichiWakao,
Developmentofan
基础上,以提高车辆安全性为主要指标,确定该in-wheeldrivewithadvanceddynamic-dampermechanism,类型电动车悬架最优阻尼比,为该类型电动车悬
JSAEReview24(2003)p477-48
收稿日期:2006-05-23
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