TTCAN协议在智能照明控制系统中的应用研究

章澜岚 马小军 蒋月红

（南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏 南京 211816）

TTCAN协议在智能照明控制系统中的应用研究

章澜岚 马小军 蒋月红

（南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏 南京 211816）

智能照明系统是自动化技术在照明控制领域的应用推广。基于CAN总线的智能照明控制系统已经逐步在市场推广，而针对CAN通信网络中低优先级数据传输延迟较大、存在实时性和确定性较差的问题，提出了基于时间触发的TTCAN协议，给出了由主节点和多个从节点构成的TTCAN网络系统硬件结构，介绍了一种优化的均匀调度算法的设计和应用。试验结果表明，与标准的CAN网络相比，TTCAN网络照明控制系统提高了总线利用率，并在一定程度上提高了系统的实时性。

传感器 智能照明 TTCAN 算法 通信

0 引言

控制器局域网（controller area network，CAN）最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信［1］。CAN总线作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本较低的网络通信控制方式，近年来被广泛用于汽车、航空、安防、工程机械、医疗器械、楼宇自动化等领域。在照明控制方面，美国的立维腾公司生产的照明控制系统就是基于CAN总线协议。立维腾公司称之为Lcent总线。基于Lcent总线的Dimensions智能照明系统有三个系列：D3200、D4200、D8000，这三个系列均能够很好地应用于会议室、商场、体育馆等不同场合［2－3］。

本文在研究了现有的CAN总线照明控制系统的基础上，采用TTCAN协议设计智能照明控制系统，旨在提高系统的实时性和确定性。

1 系统结构

图1为本控制系统的总体结构图，包括一个主控节点模块和多个从节点模块。系统选用Atmel公司的AT89C51CC03来完成总线架构。此单片机内含CAN控制器，并且内部CAN控制器支持时间触发功能，即这块芯片既包括了微控制器芯片又包括了TTCAN控制器芯片，功能强大。两者合一，能够很大程度上减少多余的线束，简化电路，节约开发成本［4］。

图1 照明控制系统总体框图Fig.1 Overall block diagram of the lighting control system

PC控制台由PC机、AT89C51CC03以及相应的软件组成，主要任务是完成TTCAN协议网络中各节点的通信调度，作为一个时间主机发送参考报文，同步系统时间。人机界面的操作都集中在主节点中。使用时，PC控制台根据需要向各从节点的控制器发出控制信号。AT89C52CC03中的微控制器及TTCAN控制器根据已设置的调度信息，可满足实时调度需求；同时，还能接收各控制器发来的各种状态信息并显示，实现远程监测。

从节点的照明控制节点硬件原理图如图2所示。从节点只需满足与主节点时间同步，从节点的通信模块与主节点相同，采用相同的芯片来实现。另外，从节点还需要负责与各个照明模块进行信息通信。在系统运行前，时间调度表已经下载到各个从节点上，每个报文动作都有一个时间标记来标注，从节点只需比照自己的时间标记与主节点发送的系统循环时间是否相同，若相同就触发节点的动作，发送一帧数据或接收信息［5］。

图2 照明控制节点硬件图Fig.2 Hardware of the lighting control node

2 TTCAN原理与实现

2.1 TTCAN协议分析

TTCAN是在CAN的基础上融入了时间触发机制，任何动作是由一个时间（全局同步）序列决定的。它将消息周期分成若干时间段，同时分配给各个节点，形成调度时刻表。总线上各个节点严格遵照该时刻表在各自的时间段中进行 CAN数据收发［6］。TTCAN扩展协议分为两层：第一层子协议提供基本的时间触发服务，第二层子协议是第一层的扩展，提供全局时间（global time）及不同TTCAN网络间同步服务［7］。消息是在一个固定的连续时间窗中传输。完整的传输时序组织叫做矩阵周期（matrix cycle，MC）。MC由基本周期（basic cycle，BC）组成，每个参考消息的起始位是由时间主节点开始传送的。每个发送列（transfer column，TC）或时间窗口的开始都有时间标记（time marker，TM），因此系统中消息的发送是以固定的传输顺序进行的。

2.2 调度算法设计

TTCAN调度算法就是要研究矩阵周期的整体结构，并将消息合理安排到各个时窗。对于事件触发的消息，一个偶发事件的最佳反应时间，可以在CAN系统的仲裁机制里实现。因此，在TTCAN调度的情况下，仲裁的时间窗的分配必须精心设计，因为它对非周期消息的响应时间具有重要的影响。另外由于仲裁机制所遇到的延迟，非周期消息的响应时间也取决于独立时间窗的分配。独立时间窗口的分配方法有两种，即集中分配和分散分配。其中，集中分配会引入大量非周期消息的阻塞时间窗［8］。

均匀装载算法［9］是TTCAN矩阵调度算法的经典应用。本文采用一种优化的均匀装载算法来设计系统矩阵，具体步骤如下。

①将消息按周期从小到大进行排列，周期集合为T={T1，T2，…，TN}，矩阵周期TMC为所有消息周期的最小公倍数，基本周期TBC为所有消息的最大公约数，比较消息周期TN和矩阵周期TMC，计算消息在MC中的重复周期。

②若TN＜TMC，计算TMC/TN，若结果是一个整数N，那么消息在独立时间窗中的传输次数为N。相反，若TN＞TMC，计算TN/TMC，若结果仍是整数Nm，即表示一个周期消息将在一个MC中重复发送Nm次。这种情况下，调度消息可以无抖动地传输。

③如果TN＞TMC，但其结果不是整数，这种情况下消息不可能无抖动地进行传输。此时计算最大公约数T′N=GCD（TMC，TN）。计算得到的T′N值为独立窗口的重复周期。周期消息在MC中的独立窗中重复的次数由TMC除以独立窗口的重复周期得到，即TMC/T′N。例如，若TMC=40ms、TN=100 ms，所得独立窗口重复周期为20ms，并且MC中独立窗口的重复数为2。若TN＜TMC，则用最小公倍数策略来计算其在矩阵周期中独立时间窗的重复数。

④计算仲裁窗的持续时间。当计算得到所有消息的重复次数和独立时间窗周期后，其仲裁时间窗的持续相应地可以由式（1）求得：

若计算得到的tWA不是一个整数，则仲裁窗的持续时间可以由式（2）求得：

式中：NWA为仲裁窗口数；∑tmm为一个BC中消息周期窗的总持续时间。

⑤对于列的优化，每个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。这种算法的引入使得非周期消息的阻塞时间降低到最小，对系统的响应时间有着显著的影响。

根据上述步骤可将消息进行规划，得到最终的调度表即矩阵周期。根据此算法设计的矩阵周期，使得当消息周期不是矩阵周期的整数倍时，消息也可以在抖动容限内进行调度；且使得TTCAN协议在更多不同的系统中也能实现消息调度的实时性及更大的总线利用率。因此，本文在搭建实际的照明控制系统之前，可以先将其中的多节点通信系统在CANoe软件中搭建模型，装载已设计的调度表，进行网络性能的仿真分析。

2.3 调度算法仿真验证

2.3.1 CANoe下TTCAN通信系统设计

CANoe下的混合动力车TTCAN拓扑结构模型如图3所示，其结构为总线式。

图3 网络拓扑结构模型Fig.3 Network topologicalmodel based on CANoe

源节点配置如表1所示，配置的参数包括总线波特率及节点启动时间。

表1 源节点信息列表Tab.1 Inform ation list of the source node

发送消息流程图如图4所示。

图4 发送消息流程图Fig.4 Flowchart of transmission messages

当在CANoe上将系统模型建立起来之后，配置源节点信息，将Ecu1设置为主节点，只发送参考消息，其余3个节点只发送一条消息，消息周期如表1所示。在CANoe中用CAPL编程，其中时间主节点的软件流程图如图4（a）所示。该模块对总线计时，每隔10ms对时钟复位，从而控制参考消息的发送周期。其他节点发送其余消息的流程图如图4（b）所示，其中Ecu4消息周期为40ms，因此时间标记为40ms，定时为40ms。为体现系统仿真的真实性，设系统抖动性为5％。

编译并运行系统，借助CANoe的各功能窗口，得到实际发送周期图如图5所示。Ecu1发送参考消息的周期如图5（a）所示，Ecu4的发送周期如图5（b）所示。由图5可以看出，抖动范围在±2ms之内，实时性良好。

图5 实际发送周期图Fig.5 The actual transmission cycle

2.3.2 系统软件设计

系统软件设计由两部分组成。

其一为基于AT89C51CC03的通信系统软件设计，包括AT89C51CC03中CAN的初始化、中断、接收/发送报文设计，TTCAN模式中的基本时间单元的建立，循环时间单元的建立，装载有TTCAN时间调度表的系统矩阵的设计。该部分的设计主要完成主节点从各个照明子节点中获取信息，并根据调度表的需求向从节点发送控制命令。

其二为照明子节点对照明系统中的照度传感器、红外传感器等进行控制，实现灯光的自动启停、延时和定时等功能。

系统运行前，时间调度表已提前下载到各个节点上，主节点作为时间主机发送参考时间标记，从节点上每个报文都有一个时间标记来标注。在通信过程中，从节点只需比照自己的时间是否与主节点发出的参考

本文针对应用于智能家居环境的定向扩散协议，提出了改进算法。改进算法在路径处理上提高了效时间标记相同即可触发相应操作。由此可见，采用基于TTCAN协议的智能照明控制系统相较于CAN总线所设计的照明系统来说，具有更大的灵活性，而且TTCAN协议中的时间同步所指定的级别 2允许TTCAN同步且连接到其他网络，实现网络的混合连接。这一方面的优势也使得TTCAN协议具有更广泛的应用领域。

3 结束语

在以CAN总线照明控制系统设计的基础上引入TTCAN协议，以时间触发为基础，改善了照明控制系统的实时性和总线利用率。利用TTCAN协议中时间调度表的嵌入式设计，采用优化的均匀调度算法来提高系统消息传输的延迟性能，使得消息能在既定的消息周期内完成传输，提高系统的稳定性。综上所述，基于TTCAN协议的智能照明控制系统有其独特优势，值得我们继续深入研究。

［1］廖晓露.基于CAN总线的汽车控制网络实时性优化研究［D］.长沙：湖南大学，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］蒋月红，马小军，殷文龙.智能照明控制通信协议的应用分析［J］.电气应用，2013，33（18）：28－32.

［4］黎军华.TTCAN总线技术在汽车通信系统中的应用研究［D］.南昌：东华理工大学，2012.

［5］项新建.基于CAN总线的灯光控制系统［J］.照明工程学报，2004，14（2）：28－30.

［6］张登.TTCAN在风力发电控制系统中的应用［J］.可编程控制器与工厂自动化，2009（9）：60－62.

［7］刘强，刘银年.基于时间触发的TTCAN协议［J］.自动化仪表，2008，29（1）：37－39，46.

［8］李运生，窦金生.TTCAN系统矩阵的优化算法［J］.自动化仪表，2012，33（6）：8－11.

［9］曹万科，张天侠，刘应吉，等.基于TTCAN的汽车信息调度设计与分析［J］.农业机械学报，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。

章澜岚（1989－），女，现为南京工业大学建筑智能化专业在读硕士研究生；主要从事智能照明控制及其应用研究。