TTP總線在分布式飛控計算機系統中的應用

劉帥 馬小博 程俊強

摘? ?要：TTP總線具有高確定性、低時延、容錯支持等優點，在構建有硬實時需求的安全關鍵分布式容錯系統中有較大優勢。文章簡要總結了飛控計算機系統對系統總線的需求，介紹了TTP總線分布式時鐘同步與確定性通信技術，分析了TTP總線容錯特性與安全性，設計了基于TTP總線的三余度分布式飛控計算機系統，測試驗證了系統中的TTP總線同步精度、通信延遲與抖動、TTP總線對飛控功能的支持等，能夠滿足飛控計算機系統的通信需求。

關鍵詞：時間觸發協議;分布式;飛控計算機;容錯

時間觸發協議（Time-Triggered Protocol，TTP）是一種用于分布式容錯實時系統實時通信的總線協議[1]。TTP總線采用時分多路訪問的方式進行總線訪問與數據傳輸。時鐘同步機制是實現時間觸發通信的基礎，TTP總線控制器通過周期性運行時間同步算法，使TTP總線上所有節點的時間統一在全局時間同步精度基準內，亞微秒級的時鐘同步精度可為實時控制系統中的數據傳輸提供實時性和確定性支持。

TTP總線在構建有硬實時需求的安全關鍵分布式容錯系統中有較大優勢，同時，其低成本特性也極具競爭性。目前，TTP總線已應用于波音787環控系統、空客A380艙壓控制系統、龐巴迪C系列支線客機電傳飛控系統等先進飛機的實時控制系統[2]，并在其他先進飛機實時控制系統、汽車、工業控制領域也得到了廣泛應用。

1? ? 飛控計算機系統總線需求概述

飛控系統作為高安全性的強實時系統，對系統總線通信實時性、可靠性與故障隔離性等方面均有特定需求。主要如下：

（1）強實時性。飛控系統要求系統總線通信延遲低、抖動小，具有實時確定性通信能力，以保證飛控系統的緊閉環控制。

（2）高可靠性。飛控系統要求系統總線能夠支持多余度容錯配置和管理，以滿足系統余度設計要求，并提供故障容錯能力，具有高可靠性。同時，要求系統總線傳輸誤碼率不大于10～12。

（3）高故障隔離性。飛控系統要求系統總線的故障檢測能力強，能夠在系統總線層進行一定程度上的故障隔離，以簡化系統故障模式，降低系統設計和集成復雜性。

（4）通信帶寬需求。飛控系統在周期控制過程中相對通信數據量較小，但基本上要求系統總線的帶寬不低于1 MB，以避免在通信規劃設計過程中出現通信的沖突。同時，通信帶寬越高，對系統總線通信規劃越有利。

2? ? TTP總線時鐘同步與確定性通信

2.1? 基于TTP總線的分布式時鐘同步

基于TTP總線的分布式時鐘同步是指系統中主機子系統利用TTP總線提供的同步全局時間基準，實現主機子系統之間的分布式時鐘同步功能。在此基礎上，實現主機和TTP控制器之間以一致的時間進行數據的傳輸，避免在數據通信過程中產生沖突。

TTP總線層時鐘同步采用以下方式進行：為總線設定同步精度值并在該同步精度范圍內將所有TTP總線節點的本地時鐘整合到統一時鐘內，主要流程如下：（1）TTP總線控制器記錄接收TTP數據幀的實際到達時間并計算實際到達時間與期望時間的偏差。（2）TTP控制器根據偏差值，采用容錯平均算法計算需要修正的時鐘值。（3）TTP控制器依據修正策略，結合需要修正的時鐘值對本地局部時鐘進行修正。該同步方法利用總線上的數據幀進行，不需要額外的總線流量，總線利用效率更高。

主機子系統層分布式時鐘同步是在TTP總線層時鐘同步的基礎上，利用TTP控制器提供同步時鐘中斷的方式告知主機子系統層需要發送和需要接收數據的時刻，使系統調度與總線通信系統均以同步的方式工作，從而滿足整個系統同步運行的需要。

2.2? 基于TTP總線的確定性通信

TTP總線支持總線型拓撲架構和星型交換架構，并在總線中定義了通信簇周期和基于時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的通信調度策略，將每個TDMA周期劃分為多個槽（slot），每個節點可在TDMA周期中占據一個槽用于數據發送，為各個總線節點提供無沖突的發送槽位置。總線上所有節點均按照預先定義的MEDL表，在全局時間基準下進行統一數據傳輸的調度[3]。

在SAE AS6003規范[4]中，將TTP總線中每個通信slot又劃分為4個時間片，分別為：（1）傳輸前準備階段。（2）數據傳輸階段。（3）數據傳輸后協議控制器處理階段。（4）空閑階段。其中，中斷處理函數可在空閑階段進行，用于主機應用數據收發的處理。

在基于TTP總線的確定性通信調度設計中，在上一個slot的數據傳輸后協議控制器處理階段，由TTP控制器向主機發送通信中斷，主機接收到中斷后準備數據并將數據存入發送消息緩沖區。TTP控制器則在本slot的數據傳輸階段將數據發送至總線，接收節點的控制器亦在該階段完成數據接收。接收端的控制器在數據傳輸后協議控制器處理階段向主機發送數據接收中斷，主機接收到中斷信號后在接收緩沖區中讀取數據，完成整個數據的傳輸過程。

由上述可知，利用TTP總線進行數據通信，端到端的數據傳輸時延為前一個slot的發送中斷請求到本slot的接收中斷請求接收后的時間差。多次請求時間差的最大值與最小值的差值則為數據傳輸過程中的抖動。

3? ? 基于TTP總線的飛控計算機系統設計

3.1? 飛控計算機系統架構設計

基于TTP總線的分布式飛控計算機系統架構如圖1所示。系統包括三余度的分布式飛控計算機（Flight control module，FCM）和三余度的作動器控制電子（Actuator Control Electronics，ACE）;系統采用三余度TTP通信總線，每個余度的總線系統通過A/B雙線進行數據傳輸，TTP總線通信速率為5 Mbps，采用短樁方式連接各計算機節點，以避免計算機單點故障時導致系統總線失效的情況發生。

FCM之間通過傳統同步硬線進行主幀周期同步，FCM主幀周期與TTP總線通信周期采用松耦合工作方式，TTP總線通信周期配置為短周期通信，通過TTP總線分級向計算機提供的中斷信號實現數據的緊耦合通信，降低通信不確定性。

飛控計算機系統通過外圍硬線與外部模擬仿真設備交聯，外部模擬仿真設備利用工控機等實現指令信號輸入、作動與信號反饋功能的模擬仿真，如圖1所示。

FCM計算機的核心由一塊基于Lockstep處理架構的處理模塊[5]來實現計算的高完整性，處理器采用PowerPC架構處理器，通過PCI接口實現同TTP總線的數據交互。

ACE計算機核心處理器采用德州儀器（Texas Instruments，TI）的DSP 6415，通過PCI接口與TTP總線進行數據交互，并提供多路離散量輸入輸出、交流模擬量采集與直流模擬量輸出，同時，還提供RS485總線、ARINC429總線接口等，實現與外圍模擬仿真設備的數據通信。

3.2 系統軟件架構與TTP總線通信規劃

飛控計算機系統軟件主要包含運行在FCM計算機上的軟件和運行在ACE上的軟件。二者共同實現模擬飛行控制所需的系統軟件功能。

FCM計算機上的系統軟件設計包括4個部分：系統支持層、操作系統層、余度管理功能包和應用軟件。系統采用符合ARINC653標準的分區操作系統。并在容錯中間件層提供系統節點計算機的同步與余度管理及系統中斷通信服務等功能。ACE上的系統軟件包括3個部分：系統支持層、服務層和應用軟件。

飛控計算機系統TTP簇周期配置為3 ms，每個簇周期包含2個TDMA周期，每個TDMA周期內又劃分為6個slot，分別由3臺FCM和3臺ACE通信占用。

4? ? 測試驗證

為了進一步驗證TTP總線對強實時高安全飛控計算機系統的支持情況，在上述系統架構設計基礎上，配置了同步精度測試、總線延遲與抖動測試、功能測試等場景。總體測量結果表明：TTP總線的實時確定通信能力能夠符合系統設計的功能性能要求。

在同步精度測試中，在同一個通道的系統總線上選取多個TTP控制節點，分別為其設置同步脈沖信號輸出。大量測量數據顯示，其同步精度在μs級，各節點時鐘最大偏差均不超過總線配置所允許的同步精度（本測試場景設置為20 μs）。

在端到端通信延遲和抖動測試中，選取FCM之間、FCM到ACE，ACE到FCM的通信數據進行測量，統計10 000個飛控主幀周期內上述節點的通信延遲，并計算其通信抖動結果，如表1所示，FCM之間數據傳輸（Cross Channel Data Link，CCDL）延遲抖動較大主要是由兩次操作系統開銷所造成的不確定性引起的。

在系統功能測試中，通過加載模擬器設備功能和視景仿真功能，驗證了該架構下飛行控制對飛機的實時響應能力以及計算機系統故障工作能力。

5? ? 結語

本文簡要介紹了飛控計算機系統對系統總線的需求，結合TTP總線特點，總結了TTP總線時鐘同步、確定性通信能力;結合飛控計算機系統高可靠高安全特性，分析了TTP總線的容錯特性與安全性。在此基礎上，設計了基于TTP總線的分布式飛控計算機系統，并對系統中TTP總線的同步、通信延遲和抖動以及對飛控功能的支持進行了測量驗證，滿足預期要求。TTP總線作為低成本、高可靠容錯的實時總線，預計在機載、車載等高可靠、高安全控制系統領域具有廣泛應用前景。

[參考文獻]

[1]劉冬冬，張天宏，陳建，等.TTP/C協議的關鍵特性研究[J].計算機測量與控制，2012（10）：2769-2772.

[2]陳長勝，劉智武，李曉慶，等.時間觸發總線時鐘同步技術研究[J].電光與控制，2017（6）：74-78.

[3]HERMANN K，GUNTER G.TTP：a protocol for fault-tolerant real-time systems[J].IEEE Computer，1994（1）：14-23.

[4]世界資料網.AS6003 TTP Communication Protocol[EB/OL].（2011-02-06）[2020-04-10].http：//www2.infoeach.com/item-89024.html.

[5]周嘯，李鵬，韓強.基于60X總線的Lockstep處理器架構[J].航空計算技術，2015（1）：127-130.

Application of TTP in distributed flight control computer system

Liu Shuai， Ma Xiaobo， Cheng Junqiang

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710065， China）

Abstract：The TTP has the advantages of high certainty， low time delay， fault-tolerant support， etc， which has great advantages in building a safety-critical distributed fault-tolerant system with hard real-time requirements. This paper briefly summarized the flight control computer system for the demand of the system bus， introduced distributed clock synchronization and deterministic communication technology of the TTP， and analyzed the safety and fault tolerance features of TTP， then designed a distributed flight control computer system based on TTP. Lastly we tested and verified synchronous precision， communication delay and jitter， support for flight control by TTP in the system， which can meet the demand of flight control computer system of communication.

Key words：time-triggered protocol; distributed; flight control computer; fault tolerance