触发时间

触发时间（精选3篇）

触发时间 篇1

0 引言

最近几年, 航空电子网络在嵌入式领域取得了长足的进步, 通过航空电子网络如FC、AFDX等可以使得嵌入式系统间有更好的信息交互。传统的航空电子网络固有的物理层访问机制限制了其在航空电子网络领域的进一步使用, 使得系统间信息交互的时间确定性可能无法满足系统控制的要求。

对于分布式机载强实时高安全控制系统而言, 节点间通信的实时性与确定性是系统实现的关键。在机载信息量增大条件下, 传统的全双工交换以太网暴露出的同步精度低、时延抖动大、确定性不够强的缺陷[1], 解决这些问题是下一代航空数据网络的关键问题。

2 时间触发与事件触发

对于分布式机载强实时高安全控制系统而言, 节点间通信的实时性与确定性是系统实现的关键。目前, 基于事件触发的消息通信协议是实时嵌入式航空电子网络系统普遍使用的。而众多研究表明:时间触发的解决方案则对高可靠性系统而言具有更大的优势。时间触发架构[2] (Time-triggered Architecture, TTA) 系统和事件触发架构 (Even-triggered Architecture, ETA) 系统的工作原理不同。时间触发根据时间进程进行信号控制;而事情触发的控制信号来则是根据某件事件的发生 (如一次中断) 。

ETA系统与TTA系统之间的基本不同与控制信号源有关。在TTA系统中控制总是驻留在分布式计算机系统的内部。TTA系统是一个物理上封闭的确定性系统。在ETA系统中, 控制信号可能源自计算机内部, 也可能源自计算机系统外部的环境 (如中断机制转发过来的) 。不可预测的环境将因而导致计算机系统的不确定性的行为[3]。

TTA具有有如下基本特征:

(1) 可预知性:由于采用确定的调度机制, 因此系统的时延都是可计算的, 系统的行为是可预知的;

(2) 易测试性:在恰当的时刻或自动按时间触发协议对结果进行检测;

(3) 集成:容易由独立设计的嵌入式子系统来构成系统;

(4) 复制确定性:经过复制的组件的进程在组件之间有一致性;任何组件在同一时间点或某一确定的偏移时刻都会做同样的事情。

3 时间触发以太网介绍

TTE网络提供确定性的时间触发通信的机制[5], 是 (TimeTriggered Architecture, TTA) 体系结构在分布式嵌入式实时系统领域的发展。TTE在以太网802.3 协议基础之上, 各个端节点采用了时间触发控制技术 (Time-Triggered Control) , 使使用该技术后以太网各个端节点进入网全网同步无竞争状态 (Contention Free) , 可保障发送的信息是基于时间触发的, 使用该技术后的网络完全兼容现有以太网标准。传统的以太网只能用于传输事件触发业务 (BE帧) , 在这样的网络中任何端节点在任意时刻都可以发送BE帧, 接收节点根据先来先服务原则进行处理。这样的系统由各显著的缺点:当整个网络若干端节点需要用同一个路由器时, 大量的帧传递会出现巨大的传输延迟或抖动, 并且无法保证帧传递的优先级。在TTE网络中, 通过动态的执行时钟同步算法, 使整个TTE网络维护一个全局时间, 并依靠此时间来进行不同端节点发送和接收数据的调度, 这样就可以大幅度减小传输时延和抖动, 使终端之间的信息交换完全基于全局的时间来进行, 保证了存在确定的系统时间偏移和通信延迟。TTE网络的时间触发特性, 具备简化应用开发, 使综合工作减到最小, 系统易于设计实现, 以较低的全寿命周期费用获得新的高可靠性[6]。

时间触发以太网TTE并不重新定义标准以太网标准以及由以太网延伸的各种航空电子总线譬如AFDX, 仅在以太网协议基础上增添可用于时间触发通信和分区管理的故障冗余同步协议。通过改造链路层, 以太网服务的时间确定性大大增强, 并且能够提供一种以微秒级时延抖动和固定的端到端延迟进行传递确定性消息的服务, 以及具有灵活性的时分多路复用的带宽划分。相较传统以太网采用的受控于外部环境并对外界刺激做出响应的ET (Event-Triggered事件触发) 型网络, TTE则通过一种内在集中式的调度表控制其内在活动及其外部环境间的相互作用。TTE网络的传输抖动<1us; 传输时延<12.5us; 同步误差<10us, 实时性指标明显优于AFDX网络。其特点还表现在以下几个方面:

(1) 100%与标准以太网相匹配。TTE网络无需改变原有的节点系统和设备应用软件, 只需增添具有时间触发功能的节点。

(2) 各种带宽速率网络均适用。TTE网络能够充分利用带宽来提高网络通信的效率。它能应用于各种带宽网络中。

(3) 适用于各种数据传输场合。

(4) 成本低, 效能高。时间触发太网的终端节点和交换机完全兼容现存以太网, 从而大大降低了成本。

4 TTE通信技术

根据SAE AS6802《时间触发以太网》定义, TTE网络支持三种不同的流量, 包括时间触发流量, 速率约束 (Rate Constraint, RC) 流量以及“尽力传” (Best Effort, BE) 流量, 形成具有混合关键性的通信服务[7]。

TTE网络接收和发送消息实现多通信消息传输控制机制以下图形式呈现。TT和ET (包括BE和RC) 发送和接收数据的流程图如图1 所示。

在图2 给出了一个TT以太网的具体应用例子, 该例子由1 个交换机和三个终端组成。其中左上方的终端节点以3ms为周期发送TT数据并随机发送BE数据, 而左下方的周期为2ms。在TTE的调度作用下, 右边的终端接收系统则以6ms的周期接收收据。可以从图中看出, TTE可以有效地确保TT数据流的准确性和无冲突传输。

除对不同类型的流量以及不同周期的TT消息进行整合外, TT以太网交换机还可以将RC消息转换为TT消息, 或者反向转换。对从RC到TT的转换, 交换机只须按照其内部的消息计划将之前的RC帧调度到一个已经定义好的时间点上发送即可。对从TT到RC的转换, 交换机会在出口通信链路一有空闲时立即将该帧发送出去。也就是一个帧是TT的还是RC的, 其实是一个链路本地的决策。

5 结语

本文介绍了时间触发以太网技术的发展, 对比了时间触发机制和事件触发机制, 并介绍了消息收发机制与应用。通过文中的介绍, 说明TTE网络可以实现分布式终端之间同步处理的时间确定性, 可以满足下一代航空数据网络的要求。

参考文献

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[6]TTA-Group.TTEthernet Specification[Z].2008

[7]兰杰, 朱晓飞, 陈亚, 李峭.时间触发以太网标准研究[J].时间触发以太网标准研究, 2013 (5)

触发时间 篇2

关键词：时间触发技术,CAN总线,分布式安全关键系统

1引言

CAN (controller area network)是有效支持分布式实时控制的串行通信网络,由于其成本低、可靠性高、抗干扰能力强和实时性强等特点而得到广泛的应用。在分布式网络控制系统中,存在两种不同的消息传输机制:事件触发机制和时间触发机制。事件触发机制,指消息的交换是由外部事件的发生而引起的,在多个事件同时发生时,会造成多个节点访问总线的冲突,当总线载荷超过100%的时候,将会引起数据丢失。时间触发机制,指消息的交换以时间为基准,网络中各个节点发送消息的时刻都是预先分配好的,主要适用于周期性的消息。在时间触发机制中系统负载独立于外部所发生事件的数目,负载高峰期和正常负载时的消息传输延迟是相同的,因而可以提高消息传输的确定性,适合安全关键系统。但是,如果没有全局同步时钟,依靠各节点进行独立的软件延时,周期的发送不可能严格按照预定时序进行,必然会出现一定超前或滞后,给安全关键系统带来隐患。本文提出一种基于冗余CAN通道的时间触发技术,该技术可在分布节点在通信通道失效的前提下仍能保持时钟同步,而不需要额外的电子装置。本文将证明结合使用这种架构,网络带宽得到有效利用,不一致的消息重复率将下降到可以接受的标准。因此,使用CAN构成一个可靠的、低成本的分布式安全关键系统是实际可行的。

2冗余通道的确立

在单信道的分布式通信网络中,由于系统工作环境、传输媒介等多方面因素的影响,导致由器件引起数据传输的出错率极高。表1为各种因素引起的数据传输失败率数据。在系统引入容错通道后,对改善以上各种情况均有显著成效,如表2所示[1]。

有关其他因素引起的传输出错率可参阅文献[2]。可见,对于一个通信系统而言,冗余措施将大幅的提升系统的传输的可靠性,但是,随着冗余信道的增加,系统的成本将会受到一定程度的影响。综合考虑,双通道方案是一个经济、可行的方案,具体的硬件设计电路如图1所示:

3系统调度矩阵及其设计

3.1系统调度矩阵

TTCAN 协议采用时分多路方式进行通信。根据ISO118982[3]的规定,网络中的各节点能建立一个本地时钟以实现各节点同步,并且各节点严格按照系统矩阵分配好的时间完成任务。TTCAN 网络各节点通过时间意义上的主节点发送特定ID 的参考消息以实现时钟同步,即网络各节点每收到一次参考消息,节点本地时钟被同步一次。在时钟同步的基础上,整个总线通讯时间按照系统矩阵的要求进行划分。根据ISO1189824标准,TTCAN 网络通讯时的系统矩阵由2 n 个基本周期(矩阵的行) 组成,每个基本周期由参考消息开始,到下一条参考消息结束。一个基本周期可被划分为多个时间窗,各个节点根据系统矩阵分配好总线时间,在特定的时间窗内完成特定的任务,如果在特定的时间窗内,无周期消息发生,则可将该时间窗划为仲裁窗或自由窗,少量的非周期消息可通过总线的位仲裁机制进行竞争,获取总线控制权,具体如图2所示。

出于安全性考虑,将节点的11位标识符ID分解为3 + 8位的形式,前3位定义为组号,共分3组。主节点为一组,组优先级最高;每个总线节点占用两个ID,同一节点ID的后8位相同,前3位用来区分周期报文组与非周期报文组,并设置周期报文组的优先级比非周期报文组的优先级高。确保在意外情况发生时,安排先发送周期报文,各节点的周期报文均发送完毕后,再允许各节点发送非周期报文。发送周期报文时,设置高优先级节点的报文先发送,在发送周期报文期间,由调度表确保仅有一个节点获取总线控制权。

3.2调度矩阵的设计

根据CAN 协议,可得帧大小为:undefined

其中,dj为数据的字节数,对于标准CAN帧,g=34,对于扩展CAN帧,g=54。一帧数据的传输时间为:Tj=Cj@chtb,其中,tb为传输一位所需要的时间。为保证每一个消息都能满足其截止期,在相应的分配上必须让两个消息间的最大距离时间等于其周期。根据文献[4],原始消息在TDMA round里分配节点前必须对其消息周期进行调整。一个集合里的消息mi周期必须满足period(mi)=2kpbase, pbase是一个基周期。假设消息的长度为lm, 最小消息的周期为pm1,则其它消息周期满足pmm=2jpm1, j为大于0的整数,且j≤jmax≤6。使用上述定义,则每一行的宽度BCi为pm1,矩阵的行数为L=2jmax,假设rj为周期为2jpm1的次数,一个矩阵周期传递的消息次数为undefined,每一行的列数为undefined,参照文献[5],对每一个发送窗留16tb的时间余量,则整个调度矩阵的时间为undefined。

4消息的传输机制

根据上面描述,可由参考消息启动定时器来确定发送和接收时间。根据ISO11898规范,CAN控制器对失去仲裁或者在传输过程中被误差扰乱的帧提供自动重传功能。帧传送服务在传送成功完成之前无需用户的确认。因此,即使帧的优先级最高,也需额外的同步处理和数据流时序安排,为达到可靠的数据传输,必须禁止CAN的自动重发功能使总线不存在竞争,保证消息不会被延迟。此外,SJA1000控制器在PeliCAN模式具有可读/写访问的错误计数器、最近一次错误代码寄存器、可对每一个CAN 总线的错误产生中断、及单次发送无重发等功能。因此,PeliCAN模式能为TTCAN系统实现提供良好的技术支撑。具体可通过设置命令位CMR.0和CMR.1使其立即产生一次当发生错误或仲裁丢失时是不会重发的单次发送。具体的数据发送、接收流程如图3、图4所示。

5性能分析

5.1不一致的消息重复率分析

当一个接收者自己检测到EOF序列的第六位出错的时候,会拒绝这个消息,开始传输一个EOF第七位置错误位的数据。此时,其余接收节点也许已经正确的接收了此消息,因此,将出现消息传递不一致的情况。在正常情况下,发送者会将消息入列,要求自动重传,因此,会有不一致的消息重复(IMDs)次数出现。

由于消息的自动重传机制被禁止了,如果接收节点集有一个失败的节点,失败节点可从备份通道获取正确信息,并且由接收程序流程图可知该消息对正确接收节点透明,于是IMDs的概率可以降低到很小的水平。在本设计中,数据为DATA位的消息的IMDs出错概率可由下式计算:

undefined

其中BER为单位小时的位出错率。

由于IMDs可能会使系统进入危险状态,因此,有必要衡量单位时间内的出错概率。假设每一条消息都是周期消息,其频率为fi,则单位时间内的出错概率为:

undefined

假如系统工作在比较恶劣的环境,BER=1@ch10-7[1],传输9个带8字节周期为10ms的消息,可求得IMDstime=3.6@ch10-8。

5.2通道利用率分析

对于一个TDMA周期,带宽的利用率可通过下式计算:

undefined

其中,undefined

假设在一个TDMA周期里传播8次时标消息,即jmax=3,及88帧数据,可得:

undefined

对于传统的CAN 协议,在非严格实时的控制系统中,带宽利用率通常推荐为50%,而在严格实时的控制系统中,为了保证系统消息的实时性,推荐的最大带宽利用率为20%～30%[6]。因此,85%为较理想的带宽利用率。

6结束语

在一些对网络延时特别敏感的场合,标准CAN协议并不是很合适的传输网络。冗余技术使分布节点的时钟在其通信通道失效的前提下仍能保证同步。时间触发技术使确定性通信获得很大程度上的提高,并能有效地利用网络带宽,抑制消息的不一致重复率。本文方法的不足之处在于为满足可调度性要求,周期消息的周期大小必须为2j倍最小消息的周期,如果预置的消息周期不满足这个条件,需要用额外的算法进行调整。此外,事件型消息帧随负载的增加延迟时间将会明显增加。

参考文献

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[5]Klaus Schmidt,Ece G.Schmidt.Systematic Message Schedule Construction for Time-Triggered CAN.IEEE Transactions on Ve-hicular Technology,November2007,56,(6):

触发时间 篇3

1 资料与方法

1.1 一般资料

2010-07～09于中国人民解放军海军总医院放射科行CTA的127例患者,其中男性86例,女性41例;年龄32～82岁,平均(56.4±10.9)岁;身高150～181cm,平均(168.5±7.1)cm;体重45～95kg,平均(71.8±10.7)kg;心率45～104次/min,平均(68.0±10.7)次/min。

1.2 扫描技术

1.2.1 扫描前的准备

扫描前患者需禁食、禁水4～8h,不使用贝他乐克等降低心率的药物。扫描前患者心率为45～104次/min。为了更好地显示冠状动脉,扫描前5min常规使用硝酸甘油舌下含服以扩张冠状动脉。训练患者呼吸以在扫描期间配合屏气。所有患者均采用右手背静脉埋管。

1.2.2 扫描设备及参数

采用飞利浦256层Brilliance iCT。扫描前按照标准位置放置心电导联线,正常显示心率后先扫描正侧两个定位像,扫描范围为气管分叉下1cm到膈肌下水平。扫描参数:回顾性心电门控(管电压为120kV,管电流800mA,层面采集厚度0.67mm,机架旋转时间0.27s,螺距为0.18,FOV 250mm);前瞻性心电门控(管电流200mA,层面采集厚度0.8mm,其余同回顾性心电门控)。采用自动触发的对比剂示踪技术,在主动脉弓下选定一轴位触发层面,在降主动脉内选择一圆形直径1cm的感兴趣区,设定触发阈值110Hu,注射造影剂的同时启动扫描计时,5s后开始对感兴趣区进行同层动态预扫描,即延迟触发扫描,扫描间隔时间1s,感兴趣区内CT值达到阈值时启动扫描。对比剂采用碘普罗胺(优维显370),双筒高压注射器以5ml/s流率总量75ml注射,随后按5ml/s流率注射30ml生理盐水,扫描方向为头足方向,自气管分叉扫至膈肌下水平。扫描时间为4～6s。

1.3 统计学方法

采用SAS 9.1软件分析,采用多重线性回归分析法评价延迟触发时间与患者年龄、性别、身高、体重、心率及延迟扫描次数的相关性,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

127例患者延迟触发时间12～26s,平均(19.0±2.9)s。正式触发前延迟扫描次数为6～20次,平均(13.3±2.7)次。多重线性回归分析显示,与延迟触发时间的相关因素有身高、心率、延迟扫描次数,其中显著性最高的是延迟扫描次数,其他依次为心率和身高。延迟触发时间与延迟扫描次数呈正相关(r=0.402 83,P<0.001)(图1),与心率呈负相关(r=-0.520 02,P<0.001)(图2),与身高呈正相关(r=0.369 98,P<0.001)(图3)。

3 讨论

心脏CT冠脉成像需要很高的时间分辨率、空间分辨率以及对伪影良好的控制,要求设备能够达到亚毫米级扫描,以便对冠状动脉的微小解剖部位精确显示。另外需要在患者一次屏气内完成所有扫描。最初的单排螺旋CT由于时间和空间分辨率太低,难以满足心脏扫描的需要。近年来,随着多层螺旋CT机的出现,CT广泛应用于心电触发及门控的心脏扫描[1,2]。飞利浦256层Brilliance iCT(256层极速CT),使用新型宽体球面探测器,扫描速度提高到0.27s/圈,采集2次心跳即可进行全面的冠脉体检筛查,辐射剂量较以往降低80%以上。虽然CT机扫描速度越来越快,但心脏扫描的辐射剂量仍居高不下,有学者通过优化机器软件和硬件来降低射线剂量[3,4,5,6],但效果并不明显。国内外学者也曾研究前瞻性和回顾性两种心脏门控方式,并对比两者辐射剂量[7,8,9]。

CTA在注射对比剂后,触发扫描有两种方法,一种是计算机自动触发的对比剂示踪技术,另一种是手动触发的对比剂峰值时间测定试验。前者是在主动脉(升主动脉或胸主动脉)上选择一个感兴趣区,当对比剂的CT值达到设定的阈值(100～150Hu)时,计算机自动触发扫描;后一种触发技术是用20ml对比剂静脉注射,在主动脉(升主动脉或胸主动脉)上选择一个感兴趣区,测定对比剂达到峰值时间,注射完毕后紧接着注射50ml生理盐水冲洗,从开始注射到对比剂达到峰值时间即为延迟触发时间,所进行的扫描即为延迟触发扫描。测定试验可以更好地掌握患者的血流动力学情况,有利于掌控最佳扫描时间[10]。本研究采用前一种触发扫描方法。飞利浦256层CT冠状动脉扫描参数中,从开始注射对比剂至CT机开始对感兴趣区进行同层动态扫描所需时间为注射后延迟时间,目前常规设置注射后延迟时间为5.0s,它实际为延迟触发时间的前一部分,这段时间CT机不进行扫描,不产生辐射;而其后的延迟触发扫描所造成的辐射则是无效辐射,若可以增加注射后延迟时间,则CT机在延迟触发时间段内后一部分预扫描的时间就会减少。本研究结果显示,延迟触发时间的长短与延迟扫描次数呈正相关(r=0.402 83,P<0.001),若注射后延迟时间增加,预扫描次数则相应减少,从而降低了无效辐射。本组延迟触发时间为12～26s,平均(19.0±2.9)s,CT机常规设置的注射后延迟时间明显短于患者的延迟触发时间,可以更改常规设置,增加注射后延迟时间。根据结果,建议注射后延迟时间定为10～12s,这样预扫描时间可减少5～7s,因为同层动态扫描中每次预扫描间隔时间为1s左右,所以相应地可减少5～7次预扫描,也就相应减少了辐射剂量,并且节约了球管。此外,延迟触发时间与患者心率呈负相关(r=-0.520 02,P<0.001),与身高呈正相关(r=0.369 98,P<0.001),且与心率的相关性较身高明显,这样在对每位患者进行扫描时,可根据其自身情况,对注射后延迟时间进行个体化调节,使其尽量接近延迟触发时间,降低患者所受辐射剂量。但在实际扫描过程中,极少数情况下可能出现所设注射后延迟时间长于患者实际所需延迟触发时间,即出现正式扫描启动偏晚的风险。本研究发现,根据患者所用造影剂的剂量及注射速率可估算出造影剂全部注射完毕约需15s,明显长于建议的注射后延迟时间,且造影剂尾端到达冠状动脉仍需一定时间,所以造影剂尾端效应可对上述情况进行一定补偿,从而保证成像质量,避免检查失败。

综上所述,从优化延迟触发时间的角度来降低患者所受辐射剂量是可行的,但无法对注射后延迟时间进行精确调整,只能提供一个调节方向。过于精确的调整可能会导致设定的注射后延迟时间长于实际患者所需延迟触发时间,造成过晚触发正式扫描,而造影剂的尾端效应可在一定程度上对过晚触发进行补偿,而究竟可进行多久的时间补偿,仍需大样本病例研究。

参考文献

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