何小鵬　趙陽　張洧川　黃軻　唐濤

【摘 要】TTCAN協(xié)議在傳統(tǒng)CAN基礎(chǔ)上引入了時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，通過時(shí)間觸發(fā)和時(shí)分多址的方式提高總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性，適應(yīng)更高安全級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通訊要求。本文以核電廠安全級(jí)儀控設(shè)備為對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于TTCAN的總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用軟件，驗(yàn)證了TTCAN協(xié)議應(yīng)用能夠滿足安全級(jí)儀控系統(tǒng)的總體功能性能要求。

【關(guān)鍵詞】TTCAN;時(shí)間觸發(fā);安全級(jí)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP309文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）16-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.002

The Research of TTCAN Application in Safety Instrument and Control System of Nuclear Power Plant

HE Xiao-peng ZHAO Yang ZHANG Wei-chuan HUANG Ke TANG Tao

（Nuclear Power Institute of China National Key Laboratory of Reactor System

Design Technology，Chengdu Sichuan 610041，China）

【Abstract】TTCAN protocol introduces time-trigger mechanism on the traditional CAN，which improves the real-time and determinacyperformanceof bus network data transferringby means of time trigger and TDMA，adapting to the higher security level requirements of network communication.Aiming at safety I&C devices of NNP，the architecture and software of bus network based on TTCAN are designed in this paper.It is verified that TTCAN application can meet the functional and performance requirements of safety I&C system.

【Key words】TTCAN;Time-triggered;Safety system

0 引言

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是由德國Bosch公司開發(fā)的總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[1]，于1993年正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，在汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。隨著總線網(wǎng)絡(luò)大流量、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠等需求的不斷提高，Bosch公司在ISO 11898基礎(chǔ)上制定了TTCAN協(xié)議[1]，即時(shí)間觸發(fā)控制器局域網(wǎng)，通過引入時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，提高總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和可靠性。2004年，國際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)發(fā)布了關(guān)于TTCAN總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898-4[2]。

隨著電子和通訊技術(shù)的發(fā)展，核電廠儀控系統(tǒng)及設(shè)備已主要采用全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場總線也逐漸成為其中重要的數(shù)據(jù)傳輸方式。核電廠安全級(jí)儀控系統(tǒng)，作為反應(yīng)堆運(yùn)行、控制的關(guān)鍵系統(tǒng)，承載大量、周期性的反應(yīng)堆運(yùn)行安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸，要求網(wǎng)絡(luò)通訊滿足傳輸速率和響應(yīng)時(shí)間要求，實(shí)時(shí)性強(qiáng);同時(shí)，要求數(shù)據(jù)傳輸完整、可靠，避免沖突和丟包，以確保整個(gè)反應(yīng)堆系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。TTCAN是基于CAN的高層協(xié)議，在傳統(tǒng)CAN協(xié)議基礎(chǔ)上引入了時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，通過時(shí)間觸發(fā)和時(shí)分多址結(jié)合的方式進(jìn)行通訊，從而提高總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性，同時(shí)提高總線網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，能夠更好地滿足核電廠安全級(jí)儀控系統(tǒng)高速率、高實(shí)時(shí)、高可靠的總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需求。

1 TTCAN協(xié)議研究

TTCAN協(xié)議遵循ISO 11898-1定義的標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與CAN相同。TTCAN是CAN的擴(kuò)展，在傳統(tǒng)CAN基礎(chǔ)上增加了會(huì)話層，引入時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，在非破壞性“逐位仲裁”機(jī)制的基礎(chǔ)上采用時(shí)分多址（TDMA）的方式[3]實(shí)現(xiàn)總線通訊。

1.1 時(shí)間觸發(fā)

TTCAN協(xié)議的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制包括兩層含義[4]：

1）Level1總線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)建立各自的本地時(shí)鐘，并通過時(shí)間主節(jié)點(diǎn)發(fā)送特定ID的參考消息實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步，即各節(jié)點(diǎn)每收到一次參考消息，本地時(shí)鐘就被同步一次;在本地時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上，各節(jié)點(diǎn)按照系統(tǒng)同步時(shí)間通訊表（即系統(tǒng)矩陣）的調(diào)度安排，在規(guī)定的時(shí)間窗內(nèi)完成相應(yīng)的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)周期性地傳輸消息。

2）Level2在本地時(shí)鐘基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)全局時(shí)鐘。

TTCAN的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制通過全局時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間觸發(fā)各種系統(tǒng)活動(dòng)，使得系統(tǒng)的行為不僅在功能上得到確定，在時(shí)間上也是確定的。系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)利用時(shí)分多址（TDMA）的原理分時(shí)復(fù)用總線帶寬，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成相應(yīng)的任務(wù)，不會(huì)產(chǎn)生帶寬爭用情況，從而有效地避免了延遲和抖動(dòng)，使得整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

1.2 系統(tǒng)矩陣

TTCAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，需要先制定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)消息的系統(tǒng)矩陣。系統(tǒng)矩陣又稱為“靜態(tài)調(diào)度表”，TTCAN協(xié)議通過系統(tǒng)矩陣對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的通訊時(shí)間進(jìn)行劃分，各節(jié)點(diǎn)在設(shè)定的時(shí)間片內(nèi)完成信息傳輸[2]?？偩€網(wǎng)絡(luò)通訊過程中，各節(jié)點(diǎn)在時(shí)鐘同步的條件下按照預(yù)先設(shè)計(jì)的系統(tǒng)矩陣來輪流獲得總線使用權(quán)，并在規(guī)定的時(shí)間窗中完成相應(yīng)任務(wù)，避免總線沖突，從而保證總線網(wǎng)絡(luò)通訊過程中周期型消息的實(shí)時(shí)性和可靠性。

TTCAN協(xié)議的系統(tǒng)矩陣結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)矩陣的整個(gè)長度稱為一個(gè)矩陣周期，由多個(gè)基本周期組成。每個(gè)基本周期對(duì)應(yīng)系統(tǒng)矩陣的一行，從參考消息開始，到下一條參考消息結(jié)束。ISO 11898-4中規(guī)定，level1功能下的系統(tǒng)矩陣行數(shù)最多不能超過25，即64行;系統(tǒng)矩陣可以由一個(gè)基本周期組成，即為單行矩陣。

1.3 信息和時(shí)間窗

TTCAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒖煞譃橹芷谛拖⒑头侵芷谛拖5]。周期型信息通常是對(duì)系統(tǒng)較重要的、需要周期發(fā)送的信息，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。周期型信息采用時(shí)間觸發(fā)方式進(jìn)行傳輸，并且在規(guī)定時(shí)間窗內(nèi)只發(fā)送一次，不與總線上其他消息爭奪總線使用權(quán);非周期型信息是指沒有固定傳輸周期的信息，一般對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高。非周期型信息在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)由事件觸發(fā)，需與其他的非周期型信息互相競爭，爭奪總線使用權(quán)。

TTCAN協(xié)議中，系統(tǒng)矩陣的每個(gè)基本周期由多個(gè)時(shí)間窗組成，即對(duì)應(yīng)系統(tǒng)矩陣的列。時(shí)間窗可分為獨(dú)占窗、仲裁窗和自由窗三種類型[6]：獨(dú)占窗用于發(fā)送周期型信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只允許發(fā)送一條周期型信息，并且不允許發(fā)送失敗的消息重發(fā);仲裁窗內(nèi)允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送多條非周期型信息，相互競爭，通常也不允許發(fā)送失敗的消息重發(fā);自由窗作為系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)使用。

1.4 參考消息

參考消息是特殊的周期型信息，總線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘均通過時(shí)間主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的參考消息進(jìn)行同步。參考消息必須準(zhǔn)時(shí)、可靠，才能保證系統(tǒng)矩陣的正常調(diào)度運(yùn)行。通常將參考消息優(yōu)先級(jí)應(yīng)設(shè)為最高，并且在參考消息的發(fā)送時(shí)間窗內(nèi)應(yīng)禁止總線網(wǎng)絡(luò)上的其他信息的傳輸。

TTCAN協(xié)議中規(guī)定，參考消息不僅用于時(shí)鐘同步，而且要求其數(shù)據(jù)場中必須有一個(gè)字節(jié)用于反應(yīng)其在系統(tǒng)矩陣中所處的行數(shù)。參考消息中相關(guān)字節(jié)的內(nèi)容及格式如表1所示，第7位為時(shí)間主節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的同步事件標(biāo)志;第5～0位表示該條參考消息所在系統(tǒng)矩陣的行數(shù)。

2 基于TTCAN的總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

以核電廠典型的安全級(jí)儀控設(shè)備為對(duì)象，設(shè)計(jì)基于TTCAN的總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全級(jí)儀控設(shè)備內(nèi)部涉及多機(jī)箱通道間的總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)其功能特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用具有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過廣播方式向其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

設(shè)置1號(hào)節(jié)點(diǎn)作為總線網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)，定時(shí)發(fā)送參考消息。

2.2 系統(tǒng)矩陣設(shè)計(jì)

安全級(jí)儀控設(shè)備內(nèi)部僅傳輸周期型的安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)，周期均為30ms，包括功率信號(hào)、溫度信號(hào)、壓力信號(hào)、水位信號(hào)、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)和工況狀態(tài)信號(hào)。根據(jù)安全級(jí)儀控設(shè)備通訊特性，制定如圖3所示的系統(tǒng)矩陣。

根據(jù)系統(tǒng)矩陣結(jié)構(gòu)的定義，該網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)基本周期，所有周期型信息均在一個(gè)基本周期內(nèi)按照?qǐng)D3中的順序依次通過總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

2.3 時(shí)間窗設(shè)計(jì)

總線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式，每個(gè)數(shù)據(jù)幀固定攜帶8字節(jié)的數(shù)據(jù)場?？偩€網(wǎng)絡(luò)中總線通訊波特率為1Mbps，對(duì)應(yīng)的位時(shí)間為0.001ms。標(biāo)準(zhǔn)格式下數(shù)據(jù)幀所占用的總線位數(shù)根據(jù)公式1進(jìn)行計(jì)算：

其中，Sm表示數(shù)據(jù)場中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

由于總線上所有的數(shù)據(jù)幀均采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式，數(shù)據(jù)場長度固定為8字節(jié)，因此，每個(gè)數(shù)據(jù)幀占用的總線位數(shù)約為131bits，在總線上占用的總位時(shí)間約為0.131ms。為保證信息傳輸完成，時(shí)間窗的長度不能小于上述的總位時(shí)間;同時(shí)，時(shí)間窗的長度不能大于信息周期，即時(shí)間窗的長度應(yīng)不小于0.131ms，并且應(yīng)不大于30ms。因此，為保證總線網(wǎng)絡(luò)一定的總線帶寬占用率，將系統(tǒng)矩陣的時(shí)間窗長度定義為1ms。定義時(shí)間窗長度后的系統(tǒng)矩陣結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.4 參考消息設(shè)計(jì)

根據(jù)2.2節(jié)中系統(tǒng)矩陣設(shè)計(jì)，總線網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)基本周期，并且參考消息作為總線網(wǎng)絡(luò)中4個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的基準(zhǔn)，為保證其占用總線的時(shí)間盡可能短，參考消息數(shù)據(jù)字節(jié)的長度設(shè)計(jì)為1個(gè)字節(jié)，而該字節(jié)只規(guī)定同步事件的標(biāo)志位。

參考消息由主節(jié)點(diǎn)定期發(fā)出，當(dāng)非主節(jié)點(diǎn)接收到該參考消息后進(jìn)行時(shí)鐘同步，并根據(jù)2.3中時(shí)間窗的設(shè)計(jì)，完成規(guī)定的信息發(fā)送。該參考消息在總線中的傳輸時(shí)間根據(jù)公式1計(jì)算為0.0634ms，如果在設(shè)計(jì)中不考慮參考消息對(duì)系統(tǒng)同步時(shí)間影響的補(bǔ)償，則非主要節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘將比主節(jié)點(diǎn)延遲0.07ms左右。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)TTCAN總線網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點(diǎn)軟件和非主節(jié)點(diǎn)軟件。

3.1 主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)軟件包含微處理器初始化子程序、CAN協(xié)議控制器初始化子程序、中斷處理子程序以及微處理器主程序。

微處理器初始化子程序完成微處理器的看門狗、中斷、I/O端口、定時(shí)器等的初始化工作;CAN協(xié)議控制器初始化子程序完成協(xié)議控制器的工作模式、驗(yàn)收濾波器和屏蔽寄存器以及總線定時(shí)的配置工作;中斷處理子程序包括定時(shí)中斷子程序和外部中斷子程序，定時(shí)中斷子程序完成程序周期以及信息發(fā)送周期的定時(shí)中斷處理，外部中斷子程序完成總線數(shù)據(jù)接收中斷處理，程序流程圖如圖5所示。主節(jié)點(diǎn)微處理器在完成初始化工作后，需要發(fā)送參考消息并啟動(dòng)相關(guān)定時(shí)器后，進(jìn)入主程序循環(huán)，程序流程圖如圖6所示。

3.2 非主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

非主節(jié)點(diǎn)軟件的微處理器初始化子程序、CAN協(xié)議控制器初始化子程序的流程與主節(jié)點(diǎn)軟件相同，而中斷處理子程序、微處理器主程序與主節(jié)點(diǎn)軟件不同。非主節(jié)點(diǎn)的中斷處理子程序流程圖如圖7所示，微處理器主程序流程圖如圖8所示。

4 結(jié)論

本文研究了基于時(shí)間觸發(fā)的TTCAN協(xié)議，并以核電廠安全級(jí)儀控設(shè)備為對(duì)象，進(jìn)行了基于TTCAN的總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。通過搭建實(shí)物環(huán)境，并借助CANOE測(cè)試工具，對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，基于TTCAN協(xié)議的總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸具有良好的實(shí)時(shí)性和確定性，傳輸性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足核電廠安全級(jí)儀控系統(tǒng)的總體功能性能要求。

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