CAN總線通信性能的仿真分析研究

控制器局域網（CAN）屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網絡。它是由德國博世公司在20世紀80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其通信速率高、工作可靠、調試方便、使用靈活和性價比高等優(yōu)點，己經在汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用，被公認為幾種最有前途的總線之一，其協(xié)議也發(fā)展為重要的國際標準。

隨著CAN總線在各個行業(yè)和領域的廣泛應用，其通信性能也越來越受到人們的關注。目前，已有很多學者對CAN總線通信性能進行分析研究。文中在分析CAN總線通信控制協(xié)議的基礎上，在MATLAB/Sinulink軟件Stateflow仿真環(huán)境下，利用有限狀態(tài)機理論對CAN總線通信系統(tǒng)進行了形式化建模。通過此仿真模型，分析了CAN總線通信系統(tǒng)中負載率的變化對網絡吞吐量、平均信息時延、通信沖突率、網絡利用率、網絡效率以及負載完成率的影響。

1CAN總線通信控制協(xié)議

根據(jù)ISO11898(1993)標準，CAN從結構上分為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層又包括邏輯鏈路層控制子層（LLC）和介質訪問控制子層（MAC）。在CAN總線系統(tǒng)中，節(jié)點間通過公共傳輸介質傳輸數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)鏈路層是總線的核心部分。CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層的通信介質訪問控制方式為事件觸發(fā)，采用CSMA/CD。只要總線空閑，網絡上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，節(jié)點在請求發(fā)送信息時，首先偵聽總線狀態(tài)，若總線空閑（或等待至總線空閑）則開始發(fā)送。當多個節(jié)點同時發(fā)送產生沖突時，采用非破壞性位仲裁機制，即借助ID標識符及逐位仲裁規(guī)則，低優(yōu)先級節(jié)點主動停止發(fā)送，高優(yōu)先級節(jié)點不受影響繼續(xù)發(fā)送，從而避免總線沖突，避免信息和時間發(fā)生損失。在發(fā)送過程中，發(fā)送節(jié)點對發(fā)送信息進行校驗，完成發(fā)送后釋放總線。CAN總線系統(tǒng)通過使用這種非破壞性的逐位線仲裁技術來處理多個節(jié)點同時訪問網絡的沖突，最后優(yōu)先級最高的節(jié)點能夠立即發(fā)送數(shù)據(jù)，滿足了高優(yōu)先級節(jié)點實時性的相關需要。

2CAN總線系統(tǒng)仿真模型

文章在Matlab/Simulink軟件Stateflow仿真環(huán)境中建立了16節(jié)點的CAN總線通信系統(tǒng)仿真模型。節(jié)點1-16的結構是相同的，節(jié)點模塊如圖1所示。

圖1節(jié)點模塊

節(jié)點模塊包括發(fā)送、緩存、數(shù)據(jù)采集3個部分。因為本次仿真主要研究CAN總線的通信性能，所以建立節(jié)點模型時，只考慮了其通信活動所涉及的部分，沒有加入節(jié)點計算控制活動部分和數(shù)據(jù)接收部分。數(shù)據(jù)采集用于采集Simulink中輸入的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度服從隨機平均分布，在狀態(tài)"有數(shù)據(jù)"中，數(shù)據(jù)被組裝成CAN標準短幀。在實際系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可能是節(jié)點本身采集的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，或是節(jié)點控制器輸出的數(shù)據(jù)。"緩存"代表節(jié)點的緩沖器，這里假設容量為1。包括兩個狀態(tài)："空"和"非空"。數(shù)據(jù)被采集并組裝成CAN標準短幀后，觸發(fā)由"空"到"非空"的轉換，將節(jié)點信息放在等待發(fā)送的緩沖器中，發(fā)送完成后，返回"空"狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)。"發(fā)送"代表節(jié)點發(fā)送部分，當緩沖器有數(shù)據(jù)等待傳輸時，觸發(fā)由"停止"到"等待"的轉換，進入等待狀態(tài)；當總線仲裁允許本節(jié)點發(fā)送時，觸發(fā)由"等待"到"傳送"的轉換，開始發(fā)送數(shù)據(jù)；當緩沖器的數(shù)據(jù)傳送完成時，觸發(fā)由"傳送"到"停止"的轉換，等待下一次發(fā)送。

圖2通信調度模塊

通信調度模塊，如圖2所示。包括總線活動模塊fieldbus和仲裁判斷函數(shù)compete。fieldbus模塊包括3個狀態(tài)："空閑"、"忙碌"、"幀間隔"。開始總線在"空閑"狀態(tài)下，當有節(jié)點要發(fā)送信息時，用compete函數(shù)對待發(fā)節(jié)點進行仲裁，并觸發(fā)由"空閑"到"忙碌"的轉換；節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，以"返回"事件觸發(fā)由"忙碌"到"幀間隔"的轉換；經過一個"幀間隔"后，回到"空閑"狀態(tài)，等待下一次傳輸。compete函數(shù)對各節(jié)點的仲裁符合CAN仲裁機制，通過比較各待發(fā)節(jié)點的優(yōu)先級，實現(xiàn)"線與"功能，將發(fā)送權給優(yōu)先級最高的節(jié)點。

以上所述的仿真平臺簡潔直觀地解釋了CAN網絡的控制機理，并能動態(tài)地仿真其通信活動。

3網絡性能

3.1性能指標

我們先介紹總線網絡相關性能指標的相關定義。

網絡負載率：單位時間內發(fā)出訪問網絡的節(jié)點數(shù)（需要傳送的報文數(shù)）與網絡最大容量的比率。

吞吐量：單位時間內系統(tǒng)成功發(fā)送信息數(shù)量的均值。

平均信息時延：從信息發(fā)出傳輸請求到被成功地傳輸?shù)侥康墓?jié)點所需要的平均時間。

通信沖突率：節(jié)點遭受通信沖突的概率。

網絡利用率：單位時間內通道傳送信息號的時間比率，即是通道處于忙碌狀態(tài)的概率，它反映了通道被利用的情況。

網絡效率：單位時間內通道成功傳送的信息與通道發(fā)送信息的時間比率，即吞吐量與通道利用率兩者間的比率。

負載完成率：所有節(jié)點運行完成后成功向總線上發(fā)送的報文幀的總個數(shù)與所有節(jié)點請求發(fā)送的報文幀的總個數(shù)的比率。

3.2性能分析

仿真設定CAN總線傳輸速率為200kbit/s，總的運行時間為T=2s，并假設每一幀報文的數(shù)據(jù)長度為100bit，可以得知，CAN總線滿負載時傳輸4000幀數(shù)據(jù)，表示為N=4000幀，即滿負載時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的總長度為400kbit，表示為S=400kbit。通過設定各節(jié)點的發(fā)送周期，來調整負載率的大小。

CAN總線仿真模型中，輸出參數(shù)含義分別為：u代表通道處于忙碌狀態(tài)的總時間；thout代表所有節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)幀的總長度；fz代表所有節(jié)點產生的所有數(shù)據(jù)幀的總長度；b1-b16分別代表第1-16個節(jié)點每次運行完成后成功向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)；p1-p16分別代表第1-16節(jié)點每次請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)。

所以，吞吐量的計算公式為：

平均信息時延的計算公式為：

式中i表示節(jié)點編號（I=1～16）。

通信沖突率的計算公式為：

網絡利用率的計算公式為：

網絡效率的計算公式為：

負載完成率的計算公式為：

式中i表示節(jié)點編號（1~16）。

經過運行仿真模型，得到系統(tǒng)在負載分別為16%、33%、50%、81.5%、100%、125%、150%、175%、200%、230%、250%、280%、310%時的一系列仿真結果。

依據(jù)公式（1）-（6），我們分析了負載率從0.02到3.1的情況下，CAN總線通信系統(tǒng)中負載率的變化對網絡吞吐量、平均信息時延、通信沖突率、網絡利用率、網絡效率以及負載完成率的影響。結果如圖3-8中所示。

圖3-8的變化趨勢都是由CAN總線通信控制協(xié)議決定的，即總線空閑時，任一節(jié)點都有發(fā)起通信的權力，當多個節(jié)點同時發(fā)送產生沖突時，采用非破壞性位仲裁機制，低優(yōu)先級節(jié)點停止發(fā)送，高優(yōu)先級節(jié)點不受影響繼續(xù)發(fā)送，從而可以避免總線沖突。

圖3中，由于當負載率較低時，低優(yōu)先級的信息可以競爭到總線權得以發(fā)送，隨著負載率的增加，網絡利用率提高，所以，吞吐量也隨之增加，當負載率增加到一定程度時，只有高優(yōu)先級的信息得以發(fā)送，此時吞吐量趨于飽和。

圖3吞吐量與負載率的關系

圖4中，由于隨著負載率的增加，信道主要用來發(fā)送高優(yōu)先級的信息，而低優(yōu)先級的信息卻被長時間延遲甚至造成數(shù)據(jù)丟失，所以平均信息時延隨著負載率的增加幾乎呈線性增加。

圖4平均信息時延與負載率的關系

圖5中，由于隨著負載率增加，吞吐量增加，即單位時間內需要處理的信息量增加，信息發(fā)生沖突的機會也增加。而且隨著負載率的增加，當吞吐量增加到趨于飽和后，信息發(fā)生沖突的機會也增加的較為緩和，即通信吞吐率增加的較為緩和。

圖5通信沖突率與負載率的關系

圖6中，由于隨著負載率增加，吞吐量隨之增加，則單位時間內需要處理的信息量增加，從而使得通道的利用率增加。同時，通道由"忙碌"到"空閑"狀態(tài)所用的幀間隔時間也增加，使得通道不可能連續(xù)不斷地傳輸信號，這樣隨著吞吐量增加并趨于飽和時，網絡利用率也隨之增加并趨于1，但不會達到1。

圖6網絡利用率與負載率的關系

圖7中，由于隨著負載率的而增加，吞吐量增加，而通道處于"忙碌"狀態(tài)的總時間也在增加，并且在吞吐量達到飽和時，通道處于"忙碌"狀態(tài)的時間也趨于穩(wěn)定，所以，單位時間內通道成功傳送的信息與通道發(fā)送信息的時間比率幾乎不隨著負載率變化而變化，基本在一個恒值附近微小變化。

圖7網絡效率與負載率的關系

圖8中，由于在負載率較低時，各優(yōu)先級的信息都可以競爭到總線權得以發(fā)送，所有節(jié)點成功向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)與請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)相等或相差很小，但是隨著負載率的增加，低優(yōu)先級信息得不到發(fā)送，只有高優(yōu)先級信息才得以發(fā)送，導致所有節(jié)點成功向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)遠小于請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)。所以，負載完成率隨著負載率的增加而減小，并且在負載較小時，負載完成率很大，幾乎接近于1。

圖8負載完成率與負載率的關系

總之，以上分析結果驗證了CAN總線通信控制協(xié)議的特點。

4結束語

運用MATLAB軟件中Stateflow工具箱來對CAN總線通信系統(tǒng)建模仿真切實可行，是現(xiàn)場總線協(xié)議分析與研究的又一途徑。仿真模型能夠完全描述協(xié)議的復雜邏輯關系，而且形象直觀貼近實際系統(tǒng)，易于理解，也便于修改調試。