CAN總線系統(tǒng)仿真的的性能指標(biāo)與分析

控制器局域網(wǎng)(CAN)屬于現(xiàn)場(chǎng)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(wǎng)絡(luò)。它是由德國(guó)博世公司在20世紀(jì)80年代專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)行業(yè)開(kāi)發(fā)的一種串行通信總線。由于其通信速率高、工作可靠、調(diào)試方便、使用靈活和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)在汽車(chē)業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，被公認(rèn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

隨著CAN總線在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其通信性能也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前，已有很多學(xué)者對(duì)CAN總線通信性能進(jìn)行分析研究。文中在分析CAN總線通信控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，在MATLAB/Sinulink軟件Stateflow仿真環(huán)境下，利用有限狀態(tài)機(jī)理論對(duì)CAN總線通信系統(tǒng)進(jìn)行了形式化建模。通過(guò)此仿真模型，分析了CAN總線通信系統(tǒng)中負(fù)載率的變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均信息時(shí)延、通信沖突率、網(wǎng)絡(luò)利用率、網(wǎng)絡(luò)效率以及負(fù)載完成率的影響。

1 CAN總線通信控制協(xié)議

根據(jù)ISO11898(1993)標(biāo)準(zhǔn)，CAN從結(jié)構(gòu)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(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)。在CAN總線系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)公共傳輸介質(zhì)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(zhì)訪問(wèn)控制方式為事件觸發(fā)，采用CSMA/CD.只要總線空閑，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，節(jié)點(diǎn)在請(qǐng)求發(fā)送信息時(shí)，首先偵聽(tīng)總線狀態(tài)，若總線空閑(或等待至總線空閑)則開(kāi)始發(fā)送。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送產(chǎn)生沖突時(shí)，采用非破壞性位仲裁機(jī)制，即借助ID標(biāo)識(shí)符及逐位仲裁規(guī)則，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)不受影響繼續(xù)發(fā)送，從而避免總線沖突，避免信息和時(shí)間發(fā)生損失。在發(fā)送過(guò)程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)送信息進(jìn)行校驗(yàn)，完成發(fā)送后釋放總線。CAN總線系統(tǒng)通過(guò)使用這種非破壞性的逐位線仲裁技術(shù)來(lái)處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的沖突，最后優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)能夠立即發(fā)送數(shù)據(jù)，滿足了高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)性的相關(guān)需要。

2 CAN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(diǎn)的CAN總線通信系統(tǒng)仿真模型。節(jié)點(diǎn)1-16的結(jié)構(gòu)是相同的，節(jié)點(diǎn)模塊如圖1所示。

CAN總線系統(tǒng)仿真的的性能指標(biāo)與分析

圖1 節(jié)點(diǎn)模塊

節(jié)點(diǎn)模塊包括發(fā)送、緩存、數(shù)據(jù)采集3個(gè)部分。因?yàn)楸敬畏抡嬷饕芯緾AN總線的通信性能，所以建立節(jié)點(diǎn)模型時(shí)，只考慮了其通信活動(dòng)所涉及的部分，沒(méi)有加入節(jié)點(diǎn)計(jì)算控制活動(dòng)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(zhǎng)度服從隨機(jī)平均分布，在狀態(tài)“有數(shù)據(jù)”中，數(shù)據(jù)被組裝成CAN標(biāo)準(zhǔn)短幀。在實(shí)際系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可能是節(jié)點(diǎn)本身采集的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，或是節(jié)點(diǎn)控制器輸出的數(shù)據(jù)。“緩存”代表節(jié)點(diǎn)的緩沖器，這里假設(shè)容量為1.包括兩個(gè)狀態(tài)：“空”和“非空”.數(shù)據(jù)被采集并組裝成CAN標(biāo)準(zhǔn)短幀后，觸發(fā)由“空”到“非空”的轉(zhuǎn)換，將節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)送部分，當(dāng)緩沖器有數(shù)據(jù)等待傳輸時(shí)，觸發(fā)由“停止”到“等待”的轉(zhuǎn)換，進(jìn)入等待狀態(tài);當(dāng)總線仲裁允許本節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，觸發(fā)由“等待”到“傳送”的轉(zhuǎn)換，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù);當(dāng)緩沖器的數(shù)據(jù)傳送完成時(shí)，觸發(fā)由“傳送”到“停止”的轉(zhuǎn)換，等待下一次發(fā)送。

圖2 通信調(diào)度模塊

通信調(diào)度模塊，如圖2所示。包括總線活動(dòng)模塊fieldbus和仲裁判斷函數(shù)compete.fieldbus模塊包括3個(gè)狀態(tài)：“空閑”、“忙碌”、“幀間隔”.開(kāi)始總線在“空閑”狀態(tài)下，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)要發(fā)送信息時(shí)，用compete函數(shù)對(duì)待發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仲裁，并觸發(fā)由“空閑”到“忙碌”的轉(zhuǎn)換;節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)換;經(jīng)過(guò)一個(gè)“幀間隔”后，回到“空閑”狀態(tài)，等待下一次傳輸。compete函數(shù)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的仲裁符合CAN仲裁機(jī)制，通過(guò)比較各待發(fā)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)“線與”功能，將發(fā)送權(quán)給優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)。

以上所述的仿真平臺(tái)簡(jiǎn)潔直觀地解釋了CAN網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，并能動(dòng)態(tài)地仿真其通信活動(dòng)。

3 網(wǎng)絡(luò)性能

3.1 性能指標(biāo)

我們先介紹總線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性能指標(biāo)的相關(guān)定義。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)出訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)(需要傳送的報(bào)文數(shù))與網(wǎng)絡(luò)最大容量的比率。

吞吐量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)系統(tǒng)成功發(fā)送信息數(shù)量的均值。

平均信息時(shí)延：從信息發(fā)出傳輸請(qǐng)求到被成功地傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)所需要的平均時(shí)間。

通信沖突率：節(jié)點(diǎn)遭受通信沖突的概率。

網(wǎng)絡(luò)利用率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通道傳送信息號(hào)的時(shí)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(wǎng)絡(luò)效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通道成功傳送的信息與通道發(fā)送信息的時(shí)間比率，即吞吐量與通道利用率兩者間的比率。

負(fù)載完成率：所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)行完成后成功向總線上發(fā)送的報(bào)文幀的總個(gè)數(shù)與所有節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)送的報(bào)文幀的總個(gè)數(shù)的比率。

3.2 性能分析

仿真設(shè)定CAN總線傳輸速率為200kbit/s,總的運(yùn)行時(shí)間為T(mén)=2s,并假設(shè)每一幀報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為100bit,可以得知，CAN總線滿負(fù)載時(shí)傳輸4000幀數(shù)據(jù)，表示為N=4000幀，即滿負(fù)載時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度為400kbit,表示為S=400kbit.通過(guò)設(shè)定各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送周期，來(lái)調(diào)整負(fù)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(shí)間;thout代表所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度;fz代表所有節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度;b1-b16分別代表第1-16個(gè)節(jié)點(diǎn)每次運(yùn)行完成后成功向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù);p1-p16分別代表第1-16節(jié)點(diǎn)每次請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)。

所以，吞吐量的計(jì)算公式為：

平均信息時(shí)延的計(jì)算公式為：

式中i表示節(jié)點(diǎn)編號(hào)(I=1~16)。

通信沖突率的計(jì)算公式為：

網(wǎng)絡(luò)利用率的計(jì)算公式為：

網(wǎng)絡(luò)效率的計(jì)算公式為：

負(fù)載完成率的計(jì)算公式為：

式中i表示節(jié)點(diǎn)編號(hào)(1~16)。

經(jīng)過(guò)運(yùn)行仿真模型，得到系統(tǒng)在負(fù)載分別為16%、33%、50%、81.5%、100%、125%、150%、175%、200%、230%、250%、280%、310%時(shí)的一系列仿真結(jié)果。

依據(jù)公式(1)-(6)，我們分析了負(fù)載率從0.02到3.1的情況下，CAN總線通信系統(tǒng)中負(fù)載率的變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均信息時(shí)延、通信沖突率、網(wǎng)絡(luò)利用率、網(wǎng)絡(luò)效率以及負(fù)載完成率的影響。

變化趨勢(shì)都是由CAN總線通信控制協(xié)議決定的，即總線空閑時(shí)，任一節(jié)點(diǎn)都有發(fā)起通信的權(quán)力，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送產(chǎn)生沖突時(shí)，采用非破壞性位仲裁機(jī)制，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)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(dāng)負(fù)載率較低時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的信息可以競(jìng)爭(zhēng)到總線權(quán)得以發(fā)送，隨著負(fù)載率的增加，網(wǎng)絡(luò)利用率提高，所以，吞吐量也隨之增加，當(dāng)負(fù)載率增加到一定程度時(shí)，只有高優(yōu)先級(jí)的信息得以發(fā)送，此時(shí)吞吐量趨于飽和。

CAN總線系統(tǒng)仿真的的性能指標(biāo)與分析

圖3 吞吐量與負(fù)載率的關(guān)系

，由于隨著負(fù)載率的增加，信道主要用來(lái)發(fā)送高優(yōu)先級(jí)的信息，而低優(yōu)先級(jí)的信息卻被長(zhǎng)時(shí)間延遲甚至造成數(shù)據(jù)丟失，所以平均信息時(shí)延隨著負(fù)載率的增加幾乎呈線性增加。

中，由于隨著負(fù)載率增加，吞吐量增加，即單位時(shí)間內(nèi)需要處理的信息量增加，信息發(fā)生沖突的機(jī)會(huì)也增加。而且隨著負(fù)載率的增加，當(dāng)吞吐量增加到趨于飽和后，信息發(fā)生沖突的機(jī)會(huì)也增加的較為緩和，即通信吞吐率增加的較為緩和。

由于隨著負(fù)載率增加，吞吐量隨之增加，則單位時(shí)間內(nèi)需要處理的信息量增加，從而使得通道的利用率增加。同時(shí)，通道由“忙碌”到“空閑”狀態(tài)所用的幀間隔時(shí)間也增加，使得通道不可能連續(xù)不斷地傳輸信號(hào)，這樣隨著吞吐量增加并趨于飽和時(shí)，網(wǎng)絡(luò)利用率也隨之增加并趨于1,但不會(huì)達(dá)到1。

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

各優(yōu)先級(jí)的信息都可以競(jìng)爭(zhēng)到總線權(quán)得以發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)成功向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)與請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)相等或相差很小，但是隨著負(fù)載率的增加，低優(yōu)先級(jí)信息得不到發(fā)送，只有高優(yōu)先級(jí)信息才得以發(fā)送，導(dǎo)致所有節(jié)點(diǎn)成功向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)小于請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)。所以，負(fù)載完成率隨著負(fù)載率的增加而減小，并且在負(fù)載較小時(shí)，負(fù)載完成率很大，幾乎接近于1。

總之，以上分析結(jié)果驗(yàn)證了CAN總線通信控制協(xié)議的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用MATLAB軟件中Stateflow工具箱來(lái)對(duì)CAN總線通信系統(tǒng)建模仿真切實(shí)可行，是現(xiàn)場(chǎng)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(fù)雜邏輯關(guān)系，而且形象直觀貼近實(shí)際系統(tǒng)，易于理解，也便于修改調(diào)試。