TTCAN協議在核電廠安全級儀控系統中的應用研究

何小鵬　趙陽　張洧川　黃軻　唐濤

【摘 要】TTCAN協議在傳統CAN基礎上引入了時間觸發機制，通過時間觸發和時分多址的方式提高總線網絡數據傳輸的實時性和確定性，適應更高安全級的網絡通訊要求。本文以核電廠安全級儀控設備為對象，設計了基于TTCAN的總線網絡架構和應用軟件，驗證了TTCAN協議應用能夠滿足安全級儀控系統的總體功能性能要求。

【關鍵詞】TTCAN;時間觸發;安全級系統

中圖分類號： TP309文獻標識碼： A文章編號： 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）是由德國Bosch公司開發的總線式串行通訊網絡協議[1]，于1993年正式成為國際標準ISO11898，在汽車、工業控制等領域中廣泛應用。隨著總線網絡大流量、強實時、高可靠等需求的不斷提高，Bosch公司在ISO 11898基礎上制定了TTCAN協議[1]，即時間觸發控制器局域網，通過引入時間觸發機制，提高總線網絡數據傳輸的確定性和可靠性。2004年，國際標準委員會發布了關于TTCAN總線技術的標準ISO 11898-4[2]。

隨著電子和通訊技術的發展，核電廠儀控系統及設備已主要采用全數字化技術實現，現場總線也逐漸成為其中重要的數據傳輸方式。核電廠安全級儀控系統，作為反應堆運行、控制的關鍵系統，承載大量、周期性的反應堆運行安全關鍵數據傳輸，要求網絡通訊滿足傳輸速率和響應時間要求，實時性強;同時，要求數據傳輸完整、可靠，避免沖突和丟包，以確保整個反應堆系統的安全、穩定運行。TTCAN是基于CAN的高層協議，在傳統CAN協議基礎上引入了時間觸發機制，通過時間觸發和時分多址結合的方式進行通訊，從而提高總線網絡數據傳輸的實時性和確定性，同時提高總線網絡的帶寬利用率，能夠更好地滿足核電廠安全級儀控系統高速率、高實時、高可靠的總線網絡數據傳輸需求。

1 TTCAN協議研究

TTCAN協議遵循ISO 11898-1定義的標準CAN協議，其物理層和數據鏈路層與CAN相同。TTCAN是CAN的擴展，在傳統CAN基礎上增加了會話層，引入時間觸發機制，在非破壞性“逐位仲裁”機制的基礎上采用時分多址（TDMA）的方式[3]實現總線通訊。

1.1 時間觸發

TTCAN協議的時間觸發機制包括兩層含義[4]：

1）Level1總線網絡中各節點建立各自的本地時鐘，并通過時間主節點發送特定ID的參考消息實現各節點之間的時鐘同步，即各節點每收到一次參考消息，本地時鐘就被同步一次;在本地時鐘同步的基礎上，各節點按照系統同步時間通訊表（即系統矩陣）的調度安排，在規定的時間窗內完成相應的任務，從而實現周期性地傳輸消息。

2）Level2在本地時鐘基礎上產生一個系統全局時鐘。

TTCAN的時間觸發機制通過全局時鐘驅動，在預先設定的時間觸發各種系統活動，使得系統的行為不僅在功能上得到確定，在時間上也是確定的。系統中各個節點利用時分多址（TDMA）的原理分時復用總線帶寬，每個節點在各自設定的時間范圍內完成相應的任務，不會產生帶寬爭用情況，從而有效地避免了延遲和抖動，使得整個系統穩定、可靠。

1.2 系統矩陣

TTCAN總線網絡設計時，需要先制定網絡中所有節點消息的系統矩陣。系統矩陣又稱為“靜態調度表”，TTCAN協議通過系統矩陣對總線網絡中各節點的通訊時間進行劃分，各節點在設定的時間片內完成信息傳輸[2]。總線網絡通訊過程中，各節點在時鐘同步的條件下按照預先設計的系統矩陣來輪流獲得總線使用權，并在規定的時間窗中完成相應任務，避免總線沖突，從而保證總線網絡通訊過程中周期型消息的實時性和可靠性。

TTCAN協議的系統矩陣結構如圖1所示，系統矩陣的整個長度稱為一個矩陣周期，由多個基本周期組成。每個基本周期對應系統矩陣的一行，從參考消息開始，到下一條參考消息結束。ISO 11898-4中規定，level1功能下的系統矩陣行數最多不能超過25，即64行;系統矩陣可以由一個基本周期組成，即為單行矩陣。

1.3 信息和時間窗

TTCAN總線網絡傳輸的信息可分為周期型消息和非周期型消息[5]。周期型信息通常是對系統較重要的、需要周期發送的信息，對實時性要求較高。周期型信息采用時間觸發方式進行傳輸，并且在規定時間窗內只發送一次，不與總線上其他消息爭奪總線使用權;非周期型信息是指沒有固定傳輸周期的信息，一般對實時性要求不高。非周期型信息在規定的時間段內由事件觸發，需與其他的非周期型信息互相競爭，爭奪總線使用權。

TTCAN協議中，系統矩陣的每個基本周期由多個時間窗組成，即對應系統矩陣的列。時間窗可分為獨占窗、仲裁窗和自由窗三種類型[6]：獨占窗用于發送周期型信息，每個節點只允許發送一條周期型信息，并且不允許發送失敗的消息重發;仲裁窗內允許多個節點發送多條非周期型信息，相互競爭，通常也不允許發送失敗的消息重發;自由窗作為系統擴展時使用。

1.4 參考消息

參考消息是特殊的周期型信息，總線網絡中各節點的本地時鐘均通過時間主節點發送的參考消息進行同步。參考消息必須準時、可靠，才能保證系統矩陣的正常調度運行。通常將參考消息優先級應設為最高，并且在參考消息的發送時間窗內應禁止總線網絡上的其他信息的傳輸。

TTCAN協議中規定，參考消息不僅用于時鐘同步，而且要求其數據場中必須有一個字節用于反應其在系統矩陣中所處的行數。參考消息中相關字節的內容及格式如表1所示，第7位為時間主節點所發送的同步事件標志;第5～0位表示該條參考消息所在系統矩陣的行數。

2 基于TTCAN的總線網絡設計

以核電廠典型的安全級儀控設備為對象，設計基于TTCAN的總線網絡架構。

2.1 網絡結構設計

安全級儀控設備內部涉及多機箱通道間的總線網絡數據傳輸，根據其功能特點，網絡結構采用具有4個網絡節點的總線型拓撲結構，如圖2所示，各個節點通過廣播方式向其他節點傳輸數據。

設置1號節點作為總線網絡中的主節點，定時發送參考消息。

2.2 系統矩陣設計

安全級儀控設備內部僅傳輸周期型的安全關鍵數據，周期均為30ms，包括功率信號、溫度信號、壓力信號、水位信號、驅動狀態信號和工況狀態信號。根據安全級儀控設備通訊特性，制定如圖3所示的系統矩陣。

根據系統矩陣結構的定義，該網絡中只有一個基本周期，所有周期型信息均在一個基本周期內按照圖3中的順序依次通過總線網絡進行傳輸。

2.3 時間窗設計

總線網絡中傳輸的數據幀格式采用標準幀格式，每個數據幀固定攜帶8字節的數據場。總線網絡中總線通訊波特率為1Mbps，對應的位時間為0.001ms。標準格式下數據幀所占用的總線位數根據公式1進行計算：

其中，Sm表示數據場中的數據字節數。

由于總線上所有的數據幀均采用標準幀格式，數據場長度固定為8字節，因此，每個數據幀占用的總線位數約為131bits，在總線上占用的總位時間約為0.131ms。為保證信息傳輸完成，時間窗的長度不能小于上述的總位時間;同時，時間窗的長度不能大于信息周期，即時間窗的長度應不小于0.131ms，并且應不大于30ms。因此，為保證總線網絡一定的總線帶寬占用率，將系統矩陣的時間窗長度定義為1ms。定義時間窗長度后的系統矩陣結構圖如圖4所示。

2.4 參考消息設計

根據2.2節中系統矩陣設計，總線網絡中只有一個基本周期，并且參考消息作為總線網絡中4個節點時間同步的基準，為保證其占用總線的時間盡可能短，參考消息數據字節的長度設計為1個字節，而該字節只規定同步事件的標志位。

參考消息由主節點定期發出，當非主節點接收到該參考消息后進行時鐘同步，并根據2.3中時間窗的設計，完成規定的信息發送。該參考消息在總線中的傳輸時間根據公式1計算為0.0634ms，如果在設計中不考慮參考消息對系統同步時間影響的補償，則非主要節點的時鐘將比主節點延遲0.07ms左右。

3 軟件設計

根據上述設計，設計TTCAN總線網絡中主節點軟件和非主節點軟件。

3.1 主節點軟件設計

主節點軟件包含微處理器初始化子程序、CAN協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、定時器等的初始化工作;CAN協議控制器初始化子程序完成協議控制器的工作模式、驗收濾波器和屏蔽寄存器以及總線定時的配置工作;中斷處理子程序包括定時中斷子程序和外部中斷子程序，定時中斷子程序完成程序周期以及信息發送周期的定時中斷處理，外部中斷子程序完成總線數據接收中斷處理，程序流程圖如圖5所示。主節點微處理器在完成初始化工作后，需要發送參考消息并啟動相關定時器后，進入主程序循環，程序流程圖如圖6所示。

3.2 非主節點軟件設計

非主節點軟件的微處理器初始化子程序、CAN協議控制器初始化子程序的流程與主節點軟件相同，而中斷處理子程序、微處理器主程序與主節點軟件不同。非主節點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 結論

本文研究了基于時間觸發的TTCAN協議，并以核電廠安全級儀控設備為對象，進行了基于TTCAN的總線網絡架構設計和軟件設計。通過搭建實物環境，并借助CANOE測試工具，對總線網絡設計和軟件設計進行了測試驗證。測試結果表明，基于TTCAN協議的總線網絡數據傳輸具有良好的實時性和確定性，傳輸性能穩定可靠，能夠滿足核電廠安全級儀控系統的總體功能性能要求。

【參考文獻】

[1]RYAH C，HEFERNAN D，LEEN G.Clock synchronization on multiple TTCAN network channels[J].Microprocessors and Microsystems，2004，28（3）：135-146

[2]Road Vehicles-Controller Area Network（CAN）-Part 4：Time-Triggered Communication，ISO 11898-4，2004.

[3]Hartwich F，Fuhrer T，Hugel R，et al.Timing in the TTCAN network.Eighth International Conference，Las Vegas，2002.

[4]Hartwich，Muller B，Fuhrer T，et al.CAN Network with Time-Triggered Communication.Sevevth International CAN Conference，Amsterdam，Netherlands 24-25 October.

[5]劉魯源，萬仁君，李斌.基于TTCAN協議的網絡控制系統靜態調度算法的研究[J].控制與決策，2004，19（7）.

[6]Jose Fonseca，Fernanda Coutinho，Jorge Barreiros.Scheduling for a TTCAN Network with Stochastic Optimization Algorithm DET/ieeta-UmiversidadeAveiro，Portugal，Instituto Supp.