ChinaAutoRegs｜GB/T 41588.4-2022英文版翻译 道路车辆控制器局域网（CAN）第4部分：时间触发通信
Road Vehicles—Controller Area Network (CAN)—Part 4: Time-Triggered Communication

CONTENTS

Foreword III
Introduction IV
1 Scope 1
2 Normative References 1
3 Terms and Definitions 1
4 Abbreviated Terms 5
5 Basic Concepts of Time-Triggered Bus 5
6 Timing and Synchronization Features 9
7 Sending and Receiving 12
8 Initialization and Fault Tolerance of Time Masters 16
9 Failure Handling 18
10 Visible Interfaces 22
Bibliography 26

引 言

控制器局域网(CAN),是一种串行通信协议,具有实时性 强、高 可靠性、低 成本等特点,支 持分布式 实时控制和多路复用,广泛用于道路车辆和其他控制领域,是国际上应用最广泛的现场总线之一。本文 件旨在规范高速 CAN 模块数据链路层帧格式相关参数及错误处理等信息。
GB/T41588《道路车辆 控制器局域网(CAN)》包含以下四个部分。
———第1部分:数据链路层和物理信 令。 规定了一些用于建立 CAN 数据链路层模块间的数字信 息交互的特性、传统 CAN 和可变数据速率 CAN 帧格式。
———第2部分:高速媒介访问单元。 规定了 CAN 控制器的高速物理介质连接 (HS-PMA)应 用于 道路汽车的分布式实时控制和多路复用的串行通信协议。
———第3部分:低速容错、媒介相关接口。规定了基于 CAN 的道路车辆电子控制单元之间的数字 信息的交互特性,低速 CAN 应用层的容错行为以及基于ISO/OSI层 模型的媒介相关接口和 物理媒介连接物理层。
———第4部分:时间触发通信。规定了时间触发通信,其包 含于控制器局域网 (CAN)协 议:用 于道 路车辆的,支持分布式实时控制和多路复用的串行通信协议。
图1展示 OSI模型与 CAN 数据链路层及物理子层的对应关系。

1 范围

本文件规定了控制器局域网(CAN)中的时间触发通信协 议,一 种支持分布式实时控制和多路复用 的串行通信协议。
本文件适用于道路车辆中搭载 CAN 总线的电子控制单元(ECU)之间建 立时间触发的数字信息交 互,并且规定了参照 ISO11898-1中逻辑链路及媒介访问控制实现的帧同步实体,用于提供时间 触发通 信调度表。
注:时间触发 CAN 相对于 CAN 总线协议来说 ,附 加了一个上层协议层 ,在 时间触发 CAN 中 ,CAN 协议保持不变。 时间触发通信使所有报文的延迟时间保持于特定的值 ,与 CAN 总线的负载率无关。时间触发通信包含以下两 种级别 :级 别 1仅限于周期性报文传输 ,而 级别 2则支 持 全 局 系 统 时 间。 时 间 触 发 CAN 的 周 期 性 通 信 是 基 于 时间主节点发送的参照报文。每一个开始于参照报 文 的 周 期 称 作 基 本 周 期 ,并 且 这 个 周 期 的 时 间 段 被 细 分 为 几个时间窗口。参照报文用于同步和校正所有节点的时间基础 ,保 证所有节点与主节点保持一致的时间基础, 给整个网络提供一个全局时间。时间触发 CAN 提供了一个备用时间主节点去代替故障的间主节点的机制。

2 规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中,注 日期的引用文 件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的 引用文件,其 最新版本(包 括所有的修改单)适 用于 本文件。
ISO11898-1 道路车辆 控制器局域网 (CAN) 第 1 部分:数 据链路层和物理信令 [Roadvehi- cles—Controllerareanetwork (CAN)—Part1:Datalinklayerandphysicalsignalling]
注 :GB/T41588.1—2022 道路车辆 控 制 器 局 域 网 (CAN) 第 1 部 分 :数 据 链 路 层 和 物 理 信 令 (ISO11898-1: 2015,IDT)
ISO11898-2 道路车辆 控制器局域网 (CAN) 第 2 部分:高 速媒介访问单元 [Roadvehicles— Controllerareanetwork (CAN)—Part2:High-speedmediumaccessunit]
注 :GB/T41588.2—2022 道路车辆 控制器局域网(CAN) 第2部分:高速媒介访问单元(ISO11898-2:2016,IDT) ISO11898-3 道路车辆 控制器局域网(CAN) 第3部分:低 速容错、媒 介相关接口 [Roadvehi- cles—Controllerareanetwork (CAN)—Part3:Low-speedfault-tolerant,medium dependantinter-
face]
注 :GB/T41588.3—2022 道路车辆 控制 器 局 域 网 (CAN) 第 3 部 分 :低 速 容 错 、媒 介 相 关 接 口 (ISO11898-3: 2006,IDT)

3 术语和定义

ISO11898-1、ISO11898-2和ISO11898-3界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1
应用看门狗 applicationwatchdog
用于检测应用层正常运行的实体。
3.2
仲裁时间窗口 arbitratingtimewindow
同一个时间内可以定义多个节点同时发送报文的时间窗口。
3.3
基本周期 Basic_ cycle
多个连续的时间窗口组成的系统矩阵的行。
3.4
周期时间 Cycle_Time
帧同步实体的本地时间与它的参照标志之间的差。
3.5
周期计数 Cycle_Count
矩阵周期中当前基本周期的数量。
3.6
周期计数最大值 Cycle_Count_Max
在给定系统的网络矩阵中,最后一个基本周期的周期计数的值。
3.7
周期偏移量 Cycle_Offset
指定参数,矩阵周期内第一个基本周期的时间偏差,在这个基本周期内发送触发器或者接收触发器
是有效的。
3.8
中断位 Disc_Bit
时间主节点引起的外部时钟修正导致参照报文发送了一个全局时间中断。
3.9
错误严重度 errorseverity
对错误的严重度进行等级的区分。
3.10
专用时间窗口 exclusivetimewindow
分配给发送特定周期报文的不参与总线竞争的时间窗口。
3.11
预期发送触发器 Expected_Tx_Trigger
对每个帧同步实体指定的本地参数,预期在一个矩阵周期的两个开始之间,用发送触发器的计数去
激活。
3.12
帧同步 Frame_Synchronisation
每个帧同步实体产生的脉冲,在整个 CAN 总线网络中,对 于每个数据帧和远程帧在帧起始位的采 样点是同步的。忽略信号的传播时间,用一个可选的参考帧起始位的同步段的加法时间偏移,目的是在 系统中补偿位时间配置的变化。
3.13
帧同步实体 framesynchronisationentity;FSE
协调逻辑链路控制层和媒体访问控制层的部分。
注:在时间触发 CAN 网络中的 ,每 个 CAN 控制器都有其自身的帧同步实体。
3.14
空闲时间窗口 freetimewindow
在系统矩阵中报文调度空闲的时间窗。
3.15
全局时间 globaltime
当前时间主节点的节点全局时间。
3.16
全局参照标志 Global_Ref_Mark
参照报文成功接收时存储的参照标志。
3.17
全局同步标志 Global_Sync_Mark
保存在帧同步脉冲中的节点全局时间当前值。
3.18
初始化监察触发器 Init_Watch_Trigger
周期时间的最大值。
3.19
初始化参照偏移量 Initial_Ref_Offset
参照触发器偏移量的初始值。
3.20
等级 level
时间触发 CAN 的执行级别与本文件一致的实施水平。
注:这里有两个级别 :等 级 1和等级 2,等 级 2是等级 1的扩展。
3.21
本地时间 localtime
周期只增计数器产生的时间。
3.22
本地偏差 Local_Offset
参照报文成功发送后,对比参照报文与本地时间的偏差。
3.23
主节点状态 masterstate
结合了故障、同步和主从关系的帧同步实体状态 向量,即 一个三元组 (故 障等级、同 步模式、主从模式)。
3.24
主节点参照标志 Master_Ref_Mark;MRM
时间主节点发送的参照报文中的参数。
3.25
矩阵周期 matrixcycle
系统矩阵中所有基本周期的周期,连续的从第一个基本周期到最后一个基本周期。
注:如果系统矩阵只由一个基本周期构成 ,那 矩阵周期与基础周期就是一样的。
3.26
混合的仲裁时间窗口 mergedarbitratingtimewindow
合并连续仲裁时间窗口的单个窗口
3.27
报文对象 messageobject
提供 LLC 帧以及控制和状态信息存储的缓冲器。
3.28
报文状态计数 messagestatuscount;MSC
专用时间窗口中检测通过调度发送报文出现错误的数量。
3.29
网络时间单元 networktimeunit;NTU
用于测量所有时间,并提供整个网络常数的单元。
3.30
网络参数 networkview
系统网络方面的参数。
3.31
节点参数 nodeview
本地网络方面的参数。
3.32
节点全局时间的参数 nodeviewofglobaltime
节点的本地时间与本地时间偏差之和的整数部分。
3.33
备用的时间主节点 potentialtimemaster
通过系统配置允许发送参照报文的帧同步实体。
3.34
参照标志 Ref_Mark
每次成功完成参照报文发送时存储的参数。
3.35
参照触发器偏移 Ref_Trigger_Offset
用于修改发送参照触发器中时间标志的参数,例如通过发送一个参照报文。
3.36
参照报文 referencemessage
开始一个基本周期的数据帧。
3.37
重复因数 Repeat_Factor
规定发送列中报文重复率的参数,是发送触发器或接收触发器参数的一部分。
注:重复率的单位是“系 统矩阵的行”。
3.38
接收触发器 Rx_Trigger
规定了核一个报文被成功接收的参数。

同步标志 Sync_Mark
本地时间的当前值,存储在帧同步的脉冲中。

系统矩阵 system matrix
发送列系统矩阵形式中包含了被有条理地排列的所有节点的所有报文,其中包含由基本周期(矩阵

GB/T 41588.4—2022/ISO11898-4:2004

的行)和发送列(矩阵的列)组成的时间窗口。
注:系统矩阵规定了报文和时间窗口的相互关系(类 型和时间标志)。系 统矩阵中的第一个基本周期开始于周期计 数为 0。
3.41
时间间隙 timegap
一个基本周期的结束和下一个基本周期开始之间的时间,当下一个基本周期开始时同步一个事件。
3.42
时间标志 timemark
一个帧同步实体中的标志,此标志规定 了预期或者计划特定行为的一个周期时间 (在 NTU 中 )中的瞬时时间。
3.43
时间主节点 timemaster
发送参照报文的帧同步实体。
3.44
时间窗口 timewindow
一个时间定量,在系统矩阵中为了实现一个具体的发送列而分配的时间段。
3.45
发送列 transmissioncolumn
系统矩阵的列,其元素与每个基本周期中重复的特定的时间窗口相关联。
注:发送行是系统矩阵的基本周期。
3.46
时间单元比率 timeunitratio;TUR
网络时间单元的长度和用于时钟同步的帧同步实体中规定的基本时间单元 (例 如,本 地振荡器周 期)的长度之间的比率。
注:时间单元比在原则上是一个非整数。通过时间单元比率的值来执行网络时间单元的节点参数。
3.47
发送计数 Tx_Count
计数器在每个矩阵周期开始的时候会重新设置,即在识别周期计数值为0的相应参照报文之后。
3.48
发送使能 Tx_Enable
报文开始发送的时间段。
3.49
发送溢出 Tx_Overflow
当出现的发送触发器超过预期发送触发器指定值时设置的状态标志。
3.50
发送参照触发器 Tx_Ref_Trigger
指定只关系到参照报文触发的发送触发器参数。
3.51
发送触发器 Tx_Trigger
规定某一报文何时传输的参数,该参数由时间标 记、传 输列中第一次发送的位置 (周 期偏移)、该传输列中的重复率(重复因数)以及发送触发器有效的参照报文组成。
注:发送触发器也包含有关于窗口类型的信息(专 用的 、仲 裁的 、合 并的)。
3.52
发送下溢 Tx_Underflow
当出现的发送触发器少于预期发送触发器指定值时设置的状态标志。
3.53
监察触发器 Watch_Trigger
用于校验从最后一个有效的参照报文开始,时间是否过长的时间标志。

4 缩略语

CAN:控制器局域网(controllerareanetwork)
FSE:帧同步实体(framesynchronisationentity)
LLC:逻辑链路控制(logicallinkcontrol)
LSB:最低有效位(leastsignificantbit)
MAC:媒介访问控制(mediumaccesscontrol)
MSB:最高有效位(mostsignificantbit)
SOF:帧起始(startofframe)

5 时间触发总线的基本概念

5.1 一般规定
以下约定适用于本文件。 应用看门狗:通常由主节点激活信号参数定义。
仲裁时间窗口的冲突由 CAN 标识符的仲裁解决。如果总线没有空闲,那么 CAN 节点无法开始传 输。在事件触发 CAN 中,几个 CAN 节点可以在仲裁时间窗口的发送使能窗口内开始一个发送行为, 但是没有自动重发功能。特例:时间窗口的合并。
基本周期的元素是几个连续的时间窗口。不同时间窗口的数量和长度被线下指定,且 对于整个网 络而言是相同的。系统矩阵的每个基本周期包含相同序列的时间窗口,并且时间窗口开始于参照报文。
周期时间是截取一个帧同步实体的本地时间与其参照标志之间差异的 16 个最高有效位。 周期时 间=(本地时间-参照标志)的16个最高有效的位。
周期计数是从0开始计数 。 周期偏移是一个发送触发器或接收触发器参数的一部分。 错误严重程度:没有错误(S0)、警告(S1)、错误(S2)、严重的错误(S3)
预期发送触发器:当发送计数达到预期发送触发器,此帧同步实体的所有发送触发器在当前矩阵周 期中被禁用。
帧同步实体操控参照报文的发送或接收的时间,为应用层提供了一个状态或控制接口。 空闲时间窗口为将来的网络扩展而保留。
全局同步标志(只有等级 2)在 帧同步脉冲时被存储。 这个值 包 含 了 本 地 时 间 与 本 地 偏 移 之 和 的
16位整数部分和小数部分。
初始化监察触发器的值是216-1,是周期时间的最大值。 本地时间在等级1中的宽度是16位,在等级2中 其宽度至少是 19 位。 在等级 2 中提供网络时间
单元小数部分的是除16个最高有效位之外的剩余位。在本地时间的增加过程中,应保证非小数部分的 每次增长与网络时间单元相对应。
例如:如果小数部分使用了3个位,在等级2中本 地时间增加了 8 次,每 次的增量是网络时间单元的八分之一。
在一个合并的仲裁时间窗口内,因为丢失了仲裁或受到了错误的干扰而导致帧的重发是允许的。 网络时间单元是整体网络的常量:
———在等级1中,NTU 是名义上的 CAN 位时间;
———在等级2中,NTU 是物理秒的小数部分。 节点全局时间是节点的本地时间与其本地偏移之和的整数部分。小数部分只用于时钟同步。因此
节点的全局时间是全局时间在本地网络时间单元中的本地映射。节点全局时间作为一个连续的单调值 提供给应用程序。
参照标志:在每次参照报文成功完成时,当前同步标志成为参照标志。 接收触发器:一个接收触发器的必要信息中包括一个时间标志(在这个时间点后相应的报文预期被
完整接收)、发送列队中第一次接受的位置(周 期偏移)和 该传输队列中的重复率 (重 复因数)。 当然,对 于接收触发器而言,一个报文对象的参照是有效 的。 几个接收触发器可以指定给相同的报文。 只有在 专用时间窗口中接收触发器可以用于报文的发送。
时间窗口:共有三种类型的时间窗口:专用的、仲裁的和空闲的。 时间单元比率(只有等级2)用于时钟同步。 发送计数:每次激活一次发送触发器,发送计数的值都增加,超过了预期发送触发器,发送计数将不
增加。
发送使能起始于发送触发器,在达到一个预先定义且由系统配置的 CAN 标称位时间数量后关闭。 监察触发器参数值取决于时间触发 CAN 的运行方式(事件同步或时间触发)。
5.2 协议的一般原理
5.2.1 系统矩阵的矩阵周期
在一个时间触发系统中,网络中所有节点的所有 报文组成系统矩阵的一部分。 系统矩阵规定了报 文和其发送所属的时间窗口之间的相互关系。 在时间触发 CAN 中,系 统矩阵由基本周期 (矩 阵的行) 和发送列(矩阵的列)组成。在系统矩 阵中基础周期的数目是 2 的整数幂,最 小值是 1。 每个基本周期 由一个规定的特征报文开始:参照报文(见图2)。
图 2 时间触发 CAN 的基本周期
在一个基本周期中,一个报文可能被分配到不止一个时间窗口,即一个特定的报文可能属于多个发 送列。在系统矩阵中,所有基本周期的循环就构成了矩阵周期。在一个矩阵周期中,周期计数将计算基 本周期的数量。计数将从零开始,达到周期计数最 大值时结束。 周期计数的当前值将作为参照报文的 一部分被时间主节点发送。尤其,周期计数值将因 时间主节点的每个基本周期的发送而递增。 任何帧 同步实体接收一个有效的参照报文后将使用此参照报文中的周期计数。在一个矩阵周期中基本周期的 数目(周期计数最大值+1)是2的整数幂。
一个矩阵周期的列被称为发送列。在一个发送列中,周期性的传递一个特定的报文,周期是2的整
数幂,它不大于系统矩阵的行数。这一周期的单位 是“系 统矩阵的行”。 第一个发送特定报文的基本周 期的数量(作为周期计数的值)称作周期偏移。这个周期被称作重复系数。一个特定的报文可能不止属 于一个发送列,也可能用同一发送列中不止一个时间窗口来传递。
5.2.2 时间窗口
每个报文都将由一个指定的时间窗口来传递。在时间窗口里,报 文的发送只开始于发送使能窗口
(见7.2.2),比如:报文的帧起始位将在发送使能窗口中发送。
在时间-触发器总线里,提供了三种不同类型的时间窗口:
———专用时间窗口;
———空闲时间窗口;
———仲裁时间窗口。
一个基本周期由不同类型和长度的时间窗口构成。 发送列中的所有时间窗口都应有相同的长度, 但是可以是不同的类型。(图3给出了在周期计数最大值为3时的系统矩阵)。

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