TTCAN協議在智能照明控制系統中的應用研究

章瀾嵐 馬小軍 蔣月紅

（南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 211816）

TTCAN協議在智能照明控制系統中的應用研究

章瀾嵐 馬小軍 蔣月紅

（南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 211816）

智能照明系統是自動化技術在照明控制領域的應用推廣。基于CAN總線的智能照明控制系統已經逐步在市場推廣，而針對CAN通信網絡中低優先級數據傳輸延遲較大、存在實時性和確定性較差的問題，提出了基于時間觸發的TTCAN協議，給出了由主節點和多個從節點構成的TTCAN網絡系統硬件結構，介紹了一種優化的均勻調度算法的設計和應用。試驗結果表明，與標準的CAN網絡相比，TTCAN網絡照明控制系統提高了總線利用率，并在一定程度上提高了系統的實時性。

傳感器 智能照明 TTCAN 算法 通信

0 引言

控制器局域網（controller area network，CAN）最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信［1］。CAN總線作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本較低的網絡通信控制方式，近年來被廣泛用于汽車、航空、安防、工程機械、醫療器械、樓宇自動化等領域。在照明控制方面，美國的立維騰公司生產的照明控制系統就是基于CAN總線協議。立維騰公司稱之為Lcent總線。基于Lcent總線的Dimensions智能照明系統有三個系列：D3200、D4200、D8000，這三個系列均能夠很好地應用于會議室、商場、體育館等不同場合［2－3］。

本文在研究了現有的CAN總線照明控制系統的基礎上，采用TTCAN協議設計智能照明控制系統，旨在提高系統的實時性和確定性。

1 系統結構

圖1為本控制系統的總體結構圖，包括一個主控節點模塊和多個從節點模塊。系統選用Atmel公司的AT89C51CC03來完成總線架構。此單片機內含CAN控制器，并且內部CAN控制器支持時間觸發功能，即這塊芯片既包括了微控制器芯片又包括了TTCAN控制器芯片，功能強大。兩者合一，能夠很大程度上減少多余的線束，簡化電路，節約開發成本［4］。

圖1 照明控制系統總體框圖Fig.1 Overall block diagram of the lighting control system

PC控制臺由PC機、AT89C51CC03以及相應的軟件組成，主要任務是完成TTCAN協議網絡中各節點的通信調度，作為一個時間主機發送參考報文，同步系統時間。人機界面的操作都集中在主節點中。使用時，PC控制臺根據需要向各從節點的控制器發出控制信號。AT89C52CC03中的微控制器及TTCAN控制器根據已設置的調度信息，可滿足實時調度需求；同時，還能接收各控制器發來的各種狀態信息并顯示，實現遠程監測。

從節點的照明控制節點硬件原理圖如圖2所示。從節點只需滿足與主節點時間同步，從節點的通信模塊與主節點相同，采用相同的芯片來實現。另外，從節點還需要負責與各個照明模塊進行信息通信。在系統運行前，時間調度表已經下載到各個從節點上，每個報文動作都有一個時間標記來標注，從節點只需比照自己的時間標記與主節點發送的系統循環時間是否相同，若相同就觸發節點的動作，發送一幀數據或接收信息［5］。

圖2 照明控制節點硬件圖Fig.2 Hardware of the lighting control node

2 TTCAN原理與實現

2.1 TTCAN協議分析

TTCAN是在CAN的基礎上融入了時間觸發機制，任何動作是由一個時間（全局同步）序列決定的。它將消息周期分成若干時間段，同時分配給各個節點，形成調度時刻表。總線上各個節點嚴格遵照該時刻表在各自的時間段中進行 CAN數據收發［6］。TTCAN擴展協議分為兩層：第一層子協議提供基本的時間觸發服務，第二層子協議是第一層的擴展，提供全局時間（global time）及不同TTCAN網絡間同步服務［7］。消息是在一個固定的連續時間窗中傳輸。完整的傳輸時序組織叫做矩陣周期（matrix cycle，MC）。MC由基本周期（basic cycle，BC）組成，每個參考消息的起始位是由時間主節點開始傳送的。每個發送列（transfer column，TC）或時間窗口的開始都有時間標記（time marker，TM），因此系統中消息的發送是以固定的傳輸順序進行的。

2.2 調度算法設計

TTCAN調度算法就是要研究矩陣周期的整體結構，并將消息合理安排到各個時窗。對于事件觸發的消息，一個偶發事件的最佳反應時間，可以在CAN系統的仲裁機制里實現。因此，在TTCAN調度的情況下，仲裁的時間窗的分配必須精心設計，因為它對非周期消息的響應時間具有重要的影響。另外由于仲裁機制所遇到的延遲，非周期消息的響應時間也取決于獨立時間窗的分配。獨立時間窗口的分配方法有兩種，即集中分配和分散分配。其中，集中分配會引入大量非周期消息的阻塞時間窗［8］。

均勻裝載算法［9］是TTCAN矩陣調度算法的經典應用。本文采用一種優化的均勻裝載算法來設計系統矩陣，具體步驟如下。

①將消息按周期從小到大進行排列，周期集合為T={T1，T2，…，TN}，矩陣周期TMC為所有消息周期的最小公倍數，基本周期TBC為所有消息的最大公約數，比較消息周期TN和矩陣周期TMC，計算消息在MC中的重復周期。

②若TN＜TMC，計算TMC/TN，若結果是一個整數N，那么消息在獨立時間窗中的傳輸次數為N。相反，若TN＞TMC，計算TN/TMC，若結果仍是整數Nm，即表示一個周期消息將在一個MC中重復發送Nm次。這種情況下，調度消息可以無抖動地傳輸。

③如果TN＞TMC，但其結果不是整數，這種情況下消息不可能無抖動地進行傳輸。此時計算最大公約數T′N=GCD（TMC，TN）。計算得到的T′N值為獨立窗口的重復周期。周期消息在MC中的獨立窗中重復的次數由TMC除以獨立窗口的重復周期得到，即TMC/T′N。例如，若TMC=40ms、TN=100 ms，所得獨立窗口重復周期為20ms，并且MC中獨立窗口的重復數為2。若TN＜TMC，則用最小公倍數策略來計算其在矩陣周期中獨立時間窗的重復數。

④計算仲裁窗的持續時間。當計算得到所有消息的重復次數和獨立時間窗周期后，其仲裁時間窗的持續相應地可以由式（1）求得：

若計算得到的tWA不是一個整數，則仲裁窗的持續時間可以由式（2）求得：

式中：NWA為仲裁窗口數；∑tmm為一個BC中消息周期窗的總持續時間。

⑤對于列的優化，每個周期消息被分配在一列中具有等于或接近消息大小的位置。這種算法的引入使得非周期消息的阻塞時間降低到最小，對系統的響應時間有著顯著的影響。

根據上述步驟可將消息進行規劃，得到最終的調度表即矩陣周期。根據此算法設計的矩陣周期，使得當消息周期不是矩陣周期的整數倍時，消息也可以在抖動容限內進行調度；且使得TTCAN協議在更多不同的系統中也能實現消息調度的實時性及更大的總線利用率。因此，本文在搭建實際的照明控制系統之前，可以先將其中的多節點通信系統在CANoe軟件中搭建模型，裝載已設計的調度表，進行網絡性能的仿真分析。

2.3 調度算法仿真驗證

2.3.1 CANoe下TTCAN通信系統設計

CANoe下的混合動力車TTCAN拓撲結構模型如圖3所示，其結構為總線式。

圖3 網絡拓撲結構模型Fig.3 Network topologicalmodel based on CANoe

源節點配置如表1所示，配置的參數包括總線波特率及節點啟動時間。

表1 源節點信息列表Tab.1 Inform ation list of the source node

發送消息流程圖如圖4所示。

圖4 發送消息流程圖Fig.4 Flowchart of transmission messages

當在CANoe上將系統模型建立起來之后，配置源節點信息，將Ecu1設置為主節點，只發送參考消息，其余3個節點只發送一條消息，消息周期如表1所示。在CANoe中用CAPL編程，其中時間主節點的軟件流程圖如圖4（a）所示。該模塊對總線計時，每隔10ms對時鐘復位，從而控制參考消息的發送周期。其他節點發送其余消息的流程圖如圖4（b）所示，其中Ecu4消息周期為40ms，因此時間標記為40ms，定時為40ms。為體現系統仿真的真實性，設系統抖動性為5％。

編譯并運行系統，借助CANoe的各功能窗口，得到實際發送周期圖如圖5所示。Ecu1發送參考消息的周期如圖5（a）所示，Ecu4的發送周期如圖5（b）所示。由圖5可以看出，抖動范圍在±2ms之內，實時性良好。

圖5 實際發送周期圖Fig.5 The actual transmission cycle

2.3.2 系統軟件設計

系統軟件設計由兩部分組成。

其一為基于AT89C51CC03的通信系統軟件設計，包括AT89C51CC03中CAN的初始化、中斷、接收/發送報文設計，TTCAN模式中的基本時間單元的建立，循環時間單元的建立，裝載有TTCAN時間調度表的系統矩陣的設計。該部分的設計主要完成主節點從各個照明子節點中獲取信息，并根據調度表的需求向從節點發送控制命令。

其二為照明子節點對照明系統中的照度傳感器、紅外傳感器等進行控制，實現燈光的自動啟停、延時和定時等功能。

系統運行前，時間調度表已提前下載到各個節點上，主節點作為時間主機發送參考時間標記，從節點上每個報文都有一個時間標記來標注。在通信過程中，從節點只需比照自己的時間是否與主節點發出的參考

本文針對應用于智能家居環境的定向擴散協議，提出了改進算法。改進算法在路徑處理上提高了效時間標記相同即可觸發相應操作。由此可見，采用基于TTCAN協議的智能照明控制系統相較于CAN總線所設計的照明系統來說，具有更大的靈活性，而且TTCAN協議中的時間同步所指定的級別 2允許TTCAN同步且連接到其他網絡，實現網絡的混合連接。這一方面的優勢也使得TTCAN協議具有更廣泛的應用領域。

3 結束語

在以CAN總線照明控制系統設計的基礎上引入TTCAN協議，以時間觸發為基礎，改善了照明控制系統的實時性和總線利用率。利用TTCAN協議中時間調度表的嵌入式設計，采用優化的均勻調度算法來提高系統消息傳輸的延遲性能，使得消息能在既定的消息周期內完成傳輸，提高系統的穩定性。綜上所述，基于TTCAN協議的智能照明控制系統有其獨特優勢，值得我們繼續深入研究。

［1］廖曉露.基于CAN總線的汽車控制網絡實時性優化研究［D］.長沙：湖南大學，2010.

［2］Ashtekar S S，Patil M D，Nade JB.Implementation of controller area network（CAN）bus（building automation）［J］.Communications in Computer and Information Science，2011，125（3）：507－514.

［3］蔣月紅，馬小軍，殷文龍.智能照明控制通信協議的應用分析［J］.電氣應用，2013，33（18）：28－32.

［4］黎軍華.TTCAN總線技術在汽車通信系統中的應用研究［D］.南昌：東華理工大學，2012.

［5］項新建.基于CAN總線的燈光控制系統［J］.照明工程學報，2004，14（2）：28－30.

［6］張登.TTCAN在風力發電控制系統中的應用［J］.可編程控制器與工廠自動化，2009（9）：60－62.

［7］劉強，劉銀年.基于時間觸發的TTCAN協議［J］.自動化儀表，2008，29（1）：37－39，46.

［8］李運生，竇金生.TTCAN系統矩陣的優化算法［J］.自動化儀表，2012，33（6）：8－11.

［9］曹萬科，張天俠，劉應吉，等.基于TTCAN的汽車信息調度設計與分析［J］.農業機械學報，2007，38（12）：42－44.

Application Research on the TTCAN Protocol in Intelligent Lighting Control System

The intelligent light system is the applicable promotion of automation technology in lighting control field.The intelligent lighting control system based on CAN bus has been gradually promoted in themarket，while there are some disadvantages in CAN communication network，e.g.，low priority data latency，poor real time performance and deterministic，etc.Aiming at this situation，the TTCAN protocolbased on time triggering is proposed，and the hardware structure of TTCAN network system which is composed ofmain node andmultiple slave nodes is given.The design and application of the optimized uniform scheduling algorithm are introduced，comparingwith standard CAN network，the TTCAN network lighting control system enhances the utilization of bus and improves the real time performance of system in certain extent.

Sensor Intelligent lighting TTCAN Algorithm Communication

TP306

A

修改稿收到日期：2014－01－03。

章瀾嵐（1989－），女，現為南京工業大學建筑智能化專業在讀碩士研究生；主要從事智能照明控制及其應用研究。