TTP總線在分布式飛控計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘 要：TTP總線具有高確定性、低時延、容錯支持等優(yōu)點，在構(gòu)建有硬實時需求的安全關(guān)鍵分布式容錯系統(tǒng)中有較大優(yōu)勢。文章簡要總結(jié)了飛控計算機系統(tǒng)對系統(tǒng)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(shù)，分析了TTP總線容錯特性與安全性，設(shè)計了基于TTP總線的三余度分布式飛控計算機系統(tǒng)，測試驗證了系統(tǒng)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(tǒng)的通信需求。

　　關(guān)鍵詞：時間觸發(fā)協(xié)議;分布式;飛控計算機;容錯

　　時間觸發(fā)協(xié)議(Time-Triggered Protocol，TTP)是一種用于分布式容錯實時系統(tǒng)實時通信的總線協(xié)議[1]。TTP總線采用時分多路訪問的方式進行總線訪問與數(shù)據(jù)傳輸。時鐘同步機制是實現(xiàn)時間觸發(fā)通信的基礎(chǔ)，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(jié)點的時間統(tǒng)一在全局時間同步精度基準內(nèi)，亞微秒級的時鐘同步精度可為實時控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸提供實時性和確定性支持。

　　TTP總線在構(gòu)建有硬實時需求的安全關(guān)鍵分布式容錯系統(tǒng)中有較大優(yōu)勢，同時，其低成本特性也極具競爭性。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系列支線客機電傳飛控系統(tǒng)等先進飛機的實時控制系統(tǒng)[2]，并在其他先進飛機實時控制系統(tǒng)、汽車、工業(yè)控制領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

　　1 飛控計算機系統(tǒng)總線需求概述

　　飛控系統(tǒng)作為高安全性的強實時系統(tǒng)，對系統(tǒng)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(tǒng)要求系統(tǒng)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(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配置和管理，以滿足系統(tǒng)余度設(shè)計要求，并提供故障容錯能力，具有高可靠性。同時，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)總線的故障檢測能力強，能夠在系統(tǒng)總線層進行一定程度上的故障隔離，以簡化系統(tǒng)故障模式，降低系統(tǒng)設(shè)計和集成復(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)計過程中出現(xiàn)通信的沖突。同時，通信帶寬越高，對系統(tǒng)總線通信規(guī)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(tǒng)中主機子系統(tǒng)利用TTP總線提供的同步全局時間基準，實現(xiàn)主機子系統(tǒng)之間的分布式時鐘同步功能。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)主機和TTP控制器之間以一致的時間進行數(shù)據(jù)的傳輸，避免在數(shù)據(jù)通信過程中產(chǎn)生沖突。

　　TTP總線層時鐘同步采用以下方式進行：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)點的本地時鐘整合到統(tǒng)一時鐘內(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(jù)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(jù)修正策略，結(jié)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(shù)據(jù)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(tǒng)層分布式時鐘同步是在TTP總線層時鐘同步的基礎(chǔ)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(tǒng)層需要發(fā)送和需要接收數(shù)據(jù)的時刻，使系統(tǒng)調(diào)度與總線通信系統(tǒng)均以同步的方式工作，從而滿足整個系統(tǒng)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(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分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的通信調(diào)度策略，將每個TDMA周期劃分為多個槽(slot)，每個節(jié)點可在TDMA周期中占據(jù)一個槽用于數(shù)據(jù)發(fā)送，為各個總線節(jié)點提供無沖突的發(fā)送槽位置。總線上所有節(jié)點均按照預(yù)先定義的MEDL表，在全局時間基準下進行統(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(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)可在空閑階段進行，用于主機應(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)計中，在上一個slot的數(shù)據(jù)傳輸后協(xié)議控制器處理階段，由TTP控制器向主機發(fā)送通信中斷，主機接收到中斷后準備數(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發(fā)送數(shù)據(jù)接收中斷，主機接收到中斷信號后在接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，完成整個數(shù)據(jù)的傳輸過程。

　　由上述可知，利用TTP總線進行數(shù)據(jù)通信，端到端的數(shù)據(jù)傳輸時延為前一個slot的發(fā)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(shù)據(jù)傳輸過程中的抖動。

　　3 基于TTP總線的飛控計算機系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 飛控計算機系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　基于TTP總線的分布式飛控計算機系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括三余度的分布式飛控計算機(Flight control module，F(xiàn)CM)和三余度的作動器控制電子(Actuator Control Electronics，ACE);系統(tǒng)采用三余度TTP通信總線，每個余度的總線系統(tǒng)通過A/B雙線進行數(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算機節(jié)點，以避免計算機單點故障時導(dǎo)致系統(tǒng)總線失效的情況發(fā)生。

　　推薦閱讀：計算機博士在什么期刊上發(fā)論文