TTP總線在分布式飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘 要：TTP總線具有高確定性、低時(shí)延、容錯(cuò)支持等優(yōu)點(diǎn)，在構(gòu)建有硬實(shí)時(shí)需求的安全關(guān)鍵分布式容錯(cuò)系統(tǒng)中有較大優(yōu)勢(shì)。文章簡(jiǎn)要總結(jié)了飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)總線的需求，介紹了TTP總線分布式時(shí)鐘同步與確定性通信技術(shù)，分析了TTP總線容錯(cuò)特性與安全性，設(shè)計(jì)了基于TTP總線的三余度分布式飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)中的TTP總線同步精度、通信延遲與抖動(dòng)、TTP總線對(duì)飛控功能的支持等，能夠滿足飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信需求。

　　關(guān)鍵詞：時(shí)間觸發(fā)協(xié)議;分布式;飛控計(jì)算機(jī);容錯(cuò)

　　時(shí)間觸發(fā)協(xié)議(Time-Triggered Protocol，TTP)是一種用于分布式容錯(cuò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的總線協(xié)議[1]。TTP總線采用時(shí)分多路訪問的方式進(jìn)行總線訪問與數(shù)據(jù)傳輸。時(shí)鐘同步機(jī)制是實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)通信的基礎(chǔ)，TTP總線控制器通過周期性運(yùn)行時(shí)間同步算法，使TTP總線上所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間統(tǒng)一在全局時(shí)間同步精度基準(zhǔn)內(nèi)，亞微秒級(jí)的時(shí)鐘同步精度可為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸提供實(shí)時(shí)性和確定性支持。

　　TTP總線在構(gòu)建有硬實(shí)時(shí)需求的安全關(guān)鍵分布式容錯(cuò)系統(tǒng)中有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，其低成本特性也極具競(jìng)爭(zhēng)性。目前，TTP總線已應(yīng)用于波音787環(huán)控系統(tǒng)、空客A380艙壓控制系統(tǒng)、龐巴迪C系列支線客機(jī)電傳飛控系統(tǒng)等先進(jìn)飛機(jī)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[2]，并在其他先進(jìn)飛機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、汽車、工業(yè)控制領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

　　1 飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線需求概述

　　飛控系統(tǒng)作為高安全性的強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)總線通信實(shí)時(shí)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(qiáng)實(shí)時(shí)性。飛控系統(tǒng)要求系統(tǒng)總線通信延遲低、抖動(dòng)小，具有實(shí)時(shí)確定性通信能力，以保證飛控系統(tǒng)的緊閉環(huán)控制。

　　(2)高可靠性。飛控系統(tǒng)要求系統(tǒng)總線能夠支持多余度容錯(cuò)配置和管理，以滿足系統(tǒng)余度設(shè)計(jì)要求，并提供故障容錯(cuò)能力，具有高可靠性。同時(shí)，要求系統(tǒng)總線傳輸誤碼率不大于10～12。

　　(3)高故障隔離性。飛控系統(tǒng)要求系統(tǒng)總線的故障檢測(cè)能力強(qiáng)，能夠在系統(tǒng)總線層進(jìn)行一定程度上的故障隔離，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)故障模式，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成復(fù)雜性。

　　(4)通信帶寬需求。飛控系統(tǒng)在周期控制過程中相對(duì)通信數(shù)據(jù)量較小，但基本上要求系統(tǒng)總線的帶寬不低于1 MB，以避免在通信規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)通信的沖突。同時(shí)，通信帶寬越高，對(duì)系統(tǒng)總線通信規(guī)劃越有利。

　　2 TTP總線時(shí)鐘同步與確定性通信

　　2.1 基于TTP總線的分布式時(shí)鐘同步

　　基于TTP總線的分布式時(shí)鐘同步是指系統(tǒng)中主機(jī)子系統(tǒng)利用TTP總線提供的同步全局時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)子系統(tǒng)之間的分布式時(shí)鐘同步功能。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和TTP控制器之間以一致的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，避免在數(shù)據(jù)通信過程中產(chǎn)生沖突。

　　TTP總線層時(shí)鐘同步采用以下方式進(jìn)行：為總線設(shè)定同步精度值并在該同步精度范圍內(nèi)將所有TTP總線節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘整合到統(tǒng)一時(shí)鐘內(nèi)，主要流程如下：(1)TTP總線控制器記錄接收TTP數(shù)據(jù)幀的實(shí)際到達(dá)時(shí)間并計(jì)算實(shí)際到達(dá)時(shí)間與期望時(shí)間的偏差。(2)TTP控制器根據(jù)偏差值，采用容錯(cuò)平均算法計(jì)算需要修正的時(shí)鐘值。(3)TTP控制器依據(jù)修正策略，結(jié)合需要修正的時(shí)鐘值對(duì)本地局部時(shí)鐘進(jìn)行修正。該同步方法利用總線上的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行，不需要額外的總線流量，總線利用效率更高。

　　主機(jī)子系統(tǒng)層分布式時(shí)鐘同步是在TTP總線層時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上，利用TTP控制器提供同步時(shí)鐘中斷的方式告知主機(jī)子系統(tǒng)層需要發(fā)送和需要接收數(shù)據(jù)的時(shí)刻，使系統(tǒng)調(diào)度與總線通信系統(tǒng)均以同步的方式工作，從而滿足整個(gè)系統(tǒng)同步運(yùn)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?fù)浼軜?gòu)和星型交換架構(gòu)，并在總線中定義了通信簇周期和基于時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的通信調(diào)度策略，將每個(gè)TDMA周期劃分為多個(gè)槽(slot)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可在TDMA周期中占據(jù)一個(gè)槽用于數(shù)據(jù)發(fā)送，為各個(gè)總線節(jié)點(diǎn)提供無沖突的發(fā)送槽位置。總線上所有節(jié)點(diǎn)均按照預(yù)先定義的MEDL表，在全局時(shí)間基準(zhǔn)下進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度[3]。

　　在SAE AS6003規(guī)范[4]中，將TTP總線中每個(gè)通信slot又劃分為4個(gè)時(shí)間片，分別為：(1)傳輸前準(zhǔn)備階段。(2)數(shù)據(jù)傳輸階段。(3)數(shù)據(jù)傳輸后協(xié)議控制器處理階段。(4)空閑階段。其中，中斷處理函數(shù)可在空閑階段進(jìn)行，用于主機(jī)應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)的處理。

　　在基于TTP總線的確定性通信調(diào)度設(shè)計(jì)中，在上一個(gè)slot的數(shù)據(jù)傳輸后協(xié)議控制器處理階段，由TTP控制器向主機(jī)發(fā)送通信中斷，主機(jī)接收到中斷后準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入發(fā)送消息緩沖區(qū)。TTP控制器則在本slot的數(shù)據(jù)傳輸階段將數(shù)據(jù)發(fā)送至總線，接收節(jié)點(diǎn)的控制器亦在該階段完成數(shù)據(jù)接收。接收端的控制器在數(shù)據(jù)傳輸后協(xié)議控制器處理階段向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)接收中斷，主機(jī)接收到中斷信號(hào)后在接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，完成整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過程。

　　由上述可知，利用TTP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，端到端的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為前一個(gè)slot的發(fā)送中斷請(qǐng)求到本slot的接收中斷請(qǐng)求接收后的時(shí)間差。多次請(qǐng)求時(shí)間差的最大值與最小值的差值則為數(shù)據(jù)傳輸過程中的抖動(dòng)。

　　3 基于TTP總線的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于TTP總線的分布式飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括三余度的分布式飛控計(jì)算機(jī)(Flight control module，F(xiàn)CM)和三余度的作動(dòng)器控制電子(Actuator Control Electronics，ACE);系統(tǒng)采用三余度TTP通信總線，每個(gè)余度的總線系統(tǒng)通過A/B雙線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，TTP總線通信速率為5 Mbps，采用短樁方式連接各計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，以避免計(jì)算機(jī)單點(diǎn)故障時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)總線失效的情況發(fā)生。

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