时间触发通信平台测试系统设计与实现

周耿 于峰 杨北亚

摘要：文章对TTP总线的基本原理进行了介绍，针对TTP通信平台的测试需求，开展了TTP协议的符合验证技术研究，设计了TTP通信平台测试系统，并提出了相关的测试项目和测试方法，对TTP总线的时钟同步、基本通信、TDMA通信机制、故障注入、通信速率进行了测试，对于验证测试系统设计的有效性提供了依据。

关键词：TTP总线；时钟同步；TDMA

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）13-0109-02

The Design and Realization of a TTP Communication Test System

ZHOU Geng， YU Feng， YANG Bei-ya

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

Abstract： Aiming at the testing requirement of a TTP communication platform， this paper introduces the fundamental principle of TTP bus， studies the compliance verification technique of the Time-Triggered Protocol， designs the test system of TTP communication platform and put forward the related test item and method， with the purpose of testing the clock synchronization， fundamental communication， TDMA communicationmechanism， fault injection and communication speed of TTP bus， which provides the basis to the effectiveness of verifying the testing system.

Key words：TTP bus； clock synchronization；TDMA

TTP（Time-Triggered Protocol）是一种用于分布式容错实时系统电子组件之间的实时通信协议[1]，采用了基于全局时间基的时间触发通信机制。TTP在消息传输确定性和可预测性方面的优势，使得TTP总线技术成为适用于实时控制系统安全关键领域的重要技术。

TTP总线是当前所有基于时间触发的确定性网络通信技术中首个被SAE标准化的通信协议，在过去的十多年内，TTP已经被广泛地应用于航空电子领域[2]。目前，国外已经有了整套的解决方案，开发了经过适航取证的软件和控制器芯片，并成功地应用于波音B787、空客A380、庞巴迪C系列等先进飞机的实时控制系统中，国内的C919飞机的电源控制系统中同样也采用了TTP技术。国内目前正在积极对TTP技术进行研究，希望能研制出具有自主产权的TTP通信平台。对于某一种TTP通信平台，必须开展TTP协议的符合验证技术研究，建立TTP通信平台测试系统，以此来保证TTP通信平台满足设计需求。

1 TTP基本原理

1.1 TTP总线架构

一般将整个TTP通信网络称为集群（Cluster），将组成集群的基本功能模块称为节点（Node），一个典型的TTP总线是由多个节点和双通道总线构成，双通道称为通道0和通道1，如图1所示。

每个节点都由应用层和通信层构成，应用层由主机和通信网络接口（CNI）构成，通信层由TTP控制器和总线构成。TTP控制器控制数据帧在总线上的发送与接收，通信网络接口实现主机与控制器之间的数据交换，主机实现传感器信息的采集，并根据接收到的TTP应用数据实现制动器的控制。

1.2 TDMA调度机制

TTP通信采用的是一种时分多址访问（TDMA）的策略，集群中的每个节点都在自己特定的时间槽（slot）在通道0和通道1上来进行数据的发送，一组顺序分配的时间槽序列组成一个TDMA周期，一个或者多个TDMA周期组成一个集群周期。

TDMA调度通过配置好的消息描述符表（MEDL）来实现，在节点上电时通过主机加载给TTP控制器。每个消息都是在特定的时间槽发送的，这样可以避免多个消息同时发送时总线上的冲突，因此这种调度机制特别适用于高可靠性系统的设计。

1.3 时钟同步

TTP通信采用全局的时间基准进行通信的调度，不同于传统网络采用专门的授时帧传输时钟信息来达到同步，TTP通过测量总线上帧的实际到达时间和预期到达时间对比的方式，进而得到不同节点之间的时间差，然后通过时钟同步算法实现所有节点的时钟同步[3]。

每一个接收节点的控制器计算之前三个槽中期望接收时间与实际接收时间的时间差和自身发送时隙的时间差，总共得到四个度量值，舍弃其中最大和最小的两个度量值，通过计算剩余两个度量值的平均值得到“时钟状态修正期限”，进行本地时钟的修正，使所有节点保持同步。

2 测试系统设计与实现

2.1 系统设计

TTP总线测试系统测试应当符合SAE AS6003規范，并支持故障注入、总线监控、性能分析等功能[4]。针对测试系统需求分析，本文提出了一种TTP通信平台的测试方案，如图2所示。该测试系统主要由TTP通信平台、故障注入节点、监控节点、PC机、示波器、28V电源、TTP总线构成。

TTP通信平台：由四块TTP通信模块构成，TTP通信模块包含TTP节点机和主机。主机运行VxWorks5.5操作系统，实现应用程序运行和完成通信配置加载。

故障注入节点：用于验证TTP通信平台中四个节点中单个节点故障后对总线通信的影响，通过串口与PC机相连。

监控节点：进行总线数据监控，监控节点与PC机连接，通过监控软件记录TTP帧内容。

PC机：通过串口和网口与四块TTP通信模块相连，完成主机应用程序的加载，并监控节点状态信息。

示波器：监控总线数据波形，用于TTP总线通信平台功能性能分析。

2.2 TTP节点机

TTP节点机通过标准的PMC连接器与主机相连，两者之间通过PCI总线进行通信，TTP控制器使用FPGA实现，控制逻辑主要实现PCI总线接口、支持时钟同步以及基于时间触发的TDMA调度，实现TTP消息的发送和接收[5]。总线端口采用双余度的设计方法，对应TTP总线的通道0和通道1。总线接口使用RS485收发控制器，同时为了防止电气损坏，使用隔离变压器进行电源隔离。

2.3 测试方法及实现

根据测试需求，TTP通信平台测试项目主要包括TTP总线同步测试、基本通信测试、TDMA通信机制测试、故障注入及恢复测试、物理层通信速率测试。

1）TTP总线同步测试：TTP节点的同步状态保存在CNI寄存器Protocol State中，寄存器值与节点机状态对应关系为：1-Init， 2-Listen， 3-Cold Start， 4-Active， 5-Passive， 0-Freeze。系统上电运行后，通过PC机串口循环打印四块TTP通信模块的同步状态。通过示波器测量节点机的测试管脚在每个TDMA周期输出的同步状态信号，通过计算平均值得到同步精度。

2）基本通信测试：配置四个节点中节点1发送最大帧长消息、节点2发送最小帧长消息、节点3接收节点1发送消息、节点4接收节点2发送消息，通过比较串口打印的发送数据和接收数据，验证基本通信测试的正确性。

3）TDMA通信机制测试：将预先配置好的MEDL表通过主机加载给TTP控制器，TTP通信平台开始通信后，通过监控软件记录总线活动，通过分析验证TDMA通信机制。

4）故障注入及恢复测试：通过故障注入节点分别向总线上注入随机干扰、终端失配干扰、短路至VCC故障、短路至GND故障，故障注入后，通过串口打印和监控软件观察总线通信的影响情况。当故障恢复后，总线通信应恢复正常。

5）物理层通信速率测试：配置MEDL表中总线的传输速率为4Mbps，总线通信开始后，通过示波器观察总线帧波形，分析单个bit的码元宽度，得到总线的实际传输速率。

3 结论

本文对TTP总线技术的基本原理进行了总结和分析，重点介绍了TTP总线架构、时钟同步和TDMA调度技术。针对TTP通信平台的测试需求，设计了TTP通信平台的测试系统，并提出了相关的测试方法，对于TTP通信平台的测试提供了依据。

参考文献：

[1] Time-Triggered Protocol TTP/C High-Level Specification DocumentProtocol Version 1.1 [S]. Specification edition 1.4.3 of 19-Nov-2003Document number D-032-S-10-028.

[2] 赵罡. 航空电子环境TTP/C总线应用技术研究[J]. 航空计算技术， 2014， 44（6）：110-115.

[3] 杨佳谞. 时间触发架构总线分析[J].航空计算技术， 2013，43（4）： 125-128.

[4] 陈长胜. 时间触发总线验证技术研究[J]. 计算机测量与控制， 2017，25（4）： 244-246.

[5] 張兴隆. 基于FPGA的时间触发协议控制器实现[J]. 系统仿真学报， 2010，22（1）： 114-118.