CAN總線仿真環(huán)境的構(gòu)建及在教學(xué)中的應(yīng)用

劉輝 譚延亮 焦鉻

摘 要： 首先對CAN總線通訊協(xié)議進行分析，然后對嵌入式硬件仿真環(huán)境SkyEye的結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)的研究，利用SkyEye構(gòu)建了CAN總線通訊仿真環(huán)境。為了評估所設(shè)計的CAN仿真節(jié)點的性能，對CAN節(jié)點進行了仿真實驗。仿真實驗表明，我們所設(shè)計的CAN節(jié)點不僅能正確實現(xiàn)節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，還能達到較高的CAN網(wǎng)絡(luò)通信速率。最后闡述了在計算機實踐課教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： CAN總線； SkyEye； 仿真； 計算機實踐課教學(xué)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）06-44-03

0 引言

由于在汽車工業(yè)的快速發(fā)展過程中，需要安裝在汽車上的電子設(shè)備不繼增加，因此點對點連接這些汽車電子設(shè)備的專用電子線路迅速膨脹，連接起來更加復(fù)雜和繁瑣。為進一步提高系統(tǒng)的可靠性和故障診斷能力，將連接線路進行簡化，使數(shù)據(jù)資源在各電控單元之間進行共享更加方便，汽車網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)就是有效解決這個問題的方法[1-2]。

在車載網(wǎng)絡(luò)通信中，由于CAN總線具有布線簡單、典型的總線型結(jié)構(gòu)、能夠有效地節(jié)約布線和維護成本、性能穩(wěn)定可靠、實時性與抗干擾能力強、傳輸?shù)木嚯x遠等一系列優(yōu)點，因此在現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。由于CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計有很多參數(shù)需要設(shè)置，而CAN總線工作性能直接受到這些參數(shù)設(shè)定的影響，但是在沒有輔助工具幫助的情況下，參數(shù)的有效設(shè)定只能憑汽車工程師的經(jīng)驗和不斷地嘗試摸索。因此，需要有合適的工具和可行的方法對CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行有效的仿真和評估，從而提高汽車工程師設(shè)計CAN總線網(wǎng)絡(luò)以及在評估CAN總線網(wǎng)絡(luò)性能方面的效率[4]。

1 CAN總線協(xié)議分析

為了能實現(xiàn)對CAN總線網(wǎng)絡(luò)的仿真，非常有必要對CAN總線通訊協(xié)議進行深入研究。須建立起任意兩個或多個CAN設(shè)備之間的兼容性，這是CAN總線通訊協(xié)議定義的目的。

CAN總線具有以下特性[5]：①報文的優(yōu)先權(quán)；②保證延遲時間；③設(shè)置靈活；④系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的一致性（System Wide Data Consistency）；⑤多主機（對等）；⑥錯誤檢測和錯誤標(biāo)定；⑦當(dāng)總線處于空閑時，能夠自動將破壞的報文重新傳輸；⑧能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)節(jié)點的永久性錯誤和暫時性錯誤區(qū)分開，并且可以將CAN的錯誤節(jié)點自動關(guān)閉。

CAN的ISO/OSI參考模型的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

從其參考模型的分層結(jié)構(gòu)可以看出，CAN通訊協(xié)議的結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）與物理層（Physical Layer）。在CAN中，為了解決不同通信節(jié)點之間進行消息傳輸時的電氣屬性，物理層為所有通信節(jié)點共享使用。

2 嵌入式硬件仿真環(huán)境SkyEye的結(jié)構(gòu)

利用仿真軟件來對嵌入式系統(tǒng)的各種硬件進行模擬，開發(fā)人員不需要利用開發(fā)板，直接在仿真環(huán)境中運行嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)嵌入式軟件的開發(fā)、調(diào)試、運行，能夠大大提高開發(fā)速度并降低開發(fā)成本。SkyEye是一個開源軟件項目，中文名字為“天目”[7]，能夠在通用的Windows操作系統(tǒng)和Linux操作平臺上對目前主流的嵌入式開發(fā)板及外部設(shè)備進行軟件仿真，實現(xiàn)一個可擴展的硬件模擬框架，使系統(tǒng)軟件能夠在仿真平臺上運行。SkyEye軟件的核心在于目標(biāo)模擬模塊，操作系統(tǒng)與系統(tǒng)軟件在SkyEye仿真環(huán)境中運行時可以使人根本意識不到是在一個計算機的虛擬系統(tǒng)上運行。SkyEye目前在教學(xué)、科研等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

目前SkyEye的最新版本已經(jīng)完全和原先的GDB/ARMulator分離，并對原先的GDB/ARMulator進行了全面的擴充和改變[8]?？傮w上分為四個模塊倉庫：①體系結(jié)構(gòu)模塊倉庫（Architecture Module Repository）；②外設(shè)模塊倉庫（Device Module Repository）；③接口模塊倉庫（Interface Module Repository）；④功能模塊倉庫（Function Module Repository）。

SkyEye仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖2所示[9]。

3 軟件仿真平臺的構(gòu)建和實現(xiàn)

為了實現(xiàn)對CAN總線通訊協(xié)議進行仿真，我們需要在不具備硬件環(huán)境的條件下來構(gòu)建軟件仿真平臺。通過這個軟件仿真平臺，能夠一目了然地觀察到CAN總線的數(shù)據(jù)正常發(fā)送、接收、處理和總線的仲裁，以及錯誤節(jié)點的故障界定等運行過程。SkyEye仿真平臺還可以運行自定義的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議[10]。

構(gòu)建軟件仿真實驗平臺的主要步驟為：第一步，在電腦的操作系統(tǒng)里安裝虛擬計算機軟件VMware Workstation；第二步，打開虛擬計算機軟件VMware Workstation，將紅帽子Ylmf Linux Y1.5系統(tǒng)直接安裝在虛擬環(huán)境中；第三步，打開Linux操作系統(tǒng)，在Linux環(huán)境中將SkyEye仿真軟件進行安裝。程序采用Microsoft VC實現(xiàn)，采用的實驗環(huán)境為Dell Inspiron 15R-5537筆記本，2.30GHz主頻，內(nèi)存4GB，100Mbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬 [2]。

仿真CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的具體實驗步驟如下。

⑴ 用超級用戶登錄紅帽子Linux系統(tǒng)。

⑵ 打開一個終端。

⑶ 切換到/dev/shm/目錄：cd /dev/shm/。

⑷ 創(chuàng)建目錄can_vbus：mkdir can_vbus。

⑸ 更改目錄can_vbus的訪問權(quán)限為0666：chmod 0666 can_vbus。

⑹ 切換到用戶根目錄：cd /home/lh1111/。

⑺ 進入CAN 目錄：cd CAN/。

⑻ 進入Sja1000-vcan目錄：cd Sja1000-vcan。

⑼ 進入vcanbus目錄：cd vcanbus。

⑽ 運行vcanbus程序：./vcanbus。

⑾ 打開另外一個終端。

⑿ 切換到用戶根目錄：cd /home/lh1111/。

⒀ 進入asp目錄：cd asp。

⒁ 因為SkyEye已經(jīng)被安裝在/bin目錄下，所以運行SkyEye的命令為：skyeye -e asp -c skyeye.conf（-e選項表示要執(zhí)行的目標(biāo)文件，-c選項表示配置文件），這時可以在終端上看到顯示信息（該窗口表示的是發(fā)送節(jié)點）如圖3所示。

按上述步驟所設(shè)計的仿真方案，我們可以利用SkyEye軟件仿真平臺較為真實地模擬出汽車類CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)的環(huán)境和過程。

4 實驗結(jié)果分析

四種傳輸速率下的測試平均時間如圖5所示。從圖5可以直觀地看出：它是一個從高到低的平均傳輸時間，考慮系統(tǒng)負(fù)載方面，負(fù)載越大，則系統(tǒng)運行越慢。最左邊的矩形表示：在200ms的傳輸速度下，相比其他三種傳輸速度下的延遲時間要高得多，系統(tǒng)的負(fù)載是最高的，也就是說系統(tǒng)的反應(yīng)時間就越長。當(dāng)傳輸速率達到500ms以后，傳輸延遲時間開始趨于平均，這說明系統(tǒng)的負(fù)載（即運行負(fù)荷）沒有那么大了。從以上仿真實驗可以看出，通過SkyEye硬件模擬平臺對CAN通訊協(xié)議進行仿真，我們所設(shè)計的CAN節(jié)點不但在節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信上是正確的，而且CAN通信網(wǎng)絡(luò)也能達到較高的傳輸速率。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的仿真方案是有效和可行的。

5 在計算機實踐課教學(xué)中的應(yīng)用

目前各高校在計算機實踐課教學(xué)，特別是實驗室建設(shè)方面都有很大投入，但是由于各種原因，比如學(xué)生人數(shù)多、實驗室教學(xué)任務(wù)繁重，而有些實驗需要移除計算機還原卡等保護工具，從而導(dǎo)致實驗室維護起來困難。在實際的計算機實踐課教學(xué)過程中，造成了部分實驗由于缺少實驗環(huán)境而無法按要求實現(xiàn)，這是影響教學(xué)質(zhì)量提高的一個瓶頸。因此創(chuàng)建可行的實驗環(huán)境就顯得尤其重要。仿真環(huán)境的構(gòu)建，即利用虛擬機技術(shù)就可以很好地解決這個問題。通過安裝虛擬機軟件，在原有的計算機硬件設(shè)備配置不變的前提下，構(gòu)建SkyEye軟件仿真平臺，虛擬計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，可以輕松地構(gòu)建虛擬的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境。目前虛擬機技術(shù)在我校實驗室中得到了推廣應(yīng)用，在“操作系統(tǒng)”和“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)過程中，使用虛擬機技術(shù)構(gòu)建仿真實驗環(huán)境進行實踐課的教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果，有助于教學(xué)質(zhì)量的提高。

6 結(jié)束語

為了方便CAN總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)，需要有可行的方法和合適工具對CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行有效而快速的仿真和評估。本文研究的目的在于開發(fā)一套基于SkyEye的CAN總線通信協(xié)議仿真工具，借助于SkeEye虛擬機的功能，并加入CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，用于CAN總線應(yīng)用的分析和評估。仿真實驗表明，該方案是有效、可行的。在目前的計算機實踐課教學(xué)中，使用虛擬機技術(shù)構(gòu)建仿真實驗環(huán)境進行實踐課的教學(xué)，可以充分利用實驗室的資源，取得良好的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

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