TTP总线在分布式飞控计算机系统中的应用

　　摘 要：TTP总线具有高确定性、低时延、容错支持等优点，在构建有硬实时需求的安全关键分布式容错系统中有较大优势。文章简要总结了飞控计算机系统对系统总线的需求，介绍了TTP总线分布式时钟同步与确定性通信技术，分析了TTP总线容错特性与安全性，设计了基于TTP总线的三余度分布式飞控计算机系统，测试验证了系统中的TTP总线同步精度、通信延迟与抖动、TTP总线对飞控功能的支持等，能够满足飞控计算机系统的通信需求。

　　关键词：时间触发协议;分布式;飞控计算机;容错

　　时间触发协议(Time-Triggered Protocol，TTP)是一种用于分布式容错实时系统实时通信的总线协议[1]。TTP总线采用时分多路访问的方式进行总线访问与数据传输。时钟同步机制是实现时间触发通信的基础，TTP总线控制器通过周期性运行时间同步算法，使TTP总线上所有节点的时间统一在全局时间同步精度基准内，亚微秒级的时钟同步精度可为实时控制系统中的数据传输提供实时性和确定性支持。

　　TTP总线在构建有硬实时需求的安全关键分布式容错系统中有较大优势，同时，其低成本特性也极具竞争性。目前，TTP总线已应用于波音787环控系统、空客A380舱压控制系统、庞巴迪C系列支线客机电传飞控系统等先进飞机的实时控制系统[2]，并在其他先进飞机实时控制系统、汽车、工业控制领域也得到了广泛应用。

　　1 飞控计算机系统总线需求概述

　　飞控系统作为高安全性的强实时系统，对系统总线通信实时性、可靠性与故障隔离性等方面均有特定需求。主要如下：

　　(1)强实时性。飞控系统要求系统总线通信延迟低、抖动小，具有实时确定性通信能力，以保证飞控系统的紧闭环控制。

　　(2)高可靠性。飞控系统要求系统总线能够支持多余度容错配置和管理，以满足系统余度设计要求，并提供故障容错能力，具有高可靠性。同时，要求系统总线传输误码率不大于10～12。

　　(3)高故障隔离性。飞控系统要求系统总线的故障检测能力强，能够在系统总线层进行一定程度上的故障隔离，以简化系统故障模式，降低系统设计和集成复杂性。

　　(4)通信带宽需求。飞控系统在周期控制过程中相对通信数据量较小，但基本上要求系统总线的带宽不低于1 MB，以避免在通信规划设计过程中出现通信的冲突。同时，通信带宽越高，对系统总线通信规划越有利。

　　2 TTP总线时钟同步与确定性通信

　　2.1 基于TTP总线的分布式时钟同步

　　基于TTP总线的分布式时钟同步是指系统中主机子系统利用TTP总线提供的同步全局时间基准，实现主机子系统之间的分布式时钟同步功能。在此基础上，实现主机和TTP控制器之间以一致的时间进行数据的传输，避免在数据通信过程中产生冲突。

　　TTP总线层时钟同步采用以下方式进行：为总线设定同步精度值并在该同步精度范围内将所有TTP总线节点的本地时钟整合到统一时钟内，主要流程如下：(1)TTP总线控制器记录接收TTP数据帧的实际到达时间并计算实际到达时间与期望时间的偏差。(2)TTP控制器根据偏差值，采用容错平均算法计算需要修正的时钟值。(3)TTP控制器依据修正策略，结合需要修正的时钟值对本地局部时钟进行修正。该同步方法利用总线上的数据帧进行，不需要额外的总线流量，总线利用效率更高。

　　主机子系统层分布式时钟同步是在TTP总线层时钟同步的基础上，利用TTP控制器提供同步时钟中断的方式告知主机子系统层需要发送和需要接收数据的时刻，使系统调度与总线通信系统均以同步的方式工作，从而满足整个系统同步运行的需要。

　　2.2 基于TTP总线的确定性通信

　　TTP总线支持总线型拓扑架构和星型交换架构，并在总线中定义了通信簇周期和基于时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的通信調度策略，将每个TDMA周期划分为多个槽(slot)，每个节点可在TDMA周期中占据一个槽用于数据发送，为各个总线节点提供无冲突的发送槽位置。总线上所有节点均按照预先定义的MEDL表，在全局时间基准下进行统一数据传输的调度[3]。

　　在SAE AS6003规范[4]中，将TTP总线中每个通信slot又划分为4个时间片，分别为：(1)传输前准备阶段。(2)数据传输阶段。(3)数据传输后协议控制器处理阶段。(4)空闲阶段。其中，中断处理函数可在空闲阶段进行，用于主机应用数据收发的处理。

　　在基于TTP总线的确定性通信调度设计中，在上一个slot的数据传输后协议控制器处理阶段，由TTP控制器向主机发送通信中断，主机接收到中断后准备数据并将数据存入发送消息缓冲区。TTP控制器则在本slot的数据传输阶段将数据发送至总线，接收节点的控制器亦在该阶段完成数据接收。接收端的控制器在数据传输后协议控制器处理阶段向主机发送数据接收中断，主机接收到中断信号后在接收缓冲区中读取数据，完成整个数据的传输过程。

　　由上述可知，利用TTP总线进行数据通信，端到端的数据传输时延为前一个slot的发送中断请求到本slot的接收中断请求接收后的时间差。多次请求时间差的最大值与最小值的差值则为数据传输过程中的抖动。

　　3 基于TTP总线的飞控计算机系统设计

　　3.1 飞控计算机系统架构设计

　　基于TTP总线的分布式飞控计算机系统架构如图1所示。系统包括三余度的分布式飞控计算机(Flight control module，FCM)和三余度的作动器控制电子(Actuator Control Electronics，ACE);系统采用三余度TTP通信总线，每个余度的总线系统通过A/B双线进行数据传输，TTP总线通信速率为5 Mbps，采用短桩方式连接各计算机节点，以避免计算机单点故障时导致系统总线失效的情况发生。

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