CAN總線通信控制協(xié)議的仿真與性能分析

曹劍馨　梁庚

摘要：在控制器局域網(wǎng)（CAN）總線通信控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，在MATLAB/Simulink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。通過此仿真模型，可以分析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。仿真結(jié)果驗(yàn)證了CAN總線通信控制協(xié)議的特點(diǎn)，同時(shí)也證明了Stateflow對(duì)CAN總線協(xié)議進(jìn)行建模仿真的可行性。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；CAN；狀態(tài)流；網(wǎng)絡(luò)性能

Abstract： In this paper， we use the theory of finite-state machines and a MATLAB/Simulink Stateflow simulation environment to formalize the modeling of a controller area network （CAN） bus communication system with CAN bus communication control protocol. We use the simulation model to analyze the impact of the load rate of the CAN bus communication system on throughput， average delay of information， communication collision rate， network utilization， network efficiency， and load completion. The simulations show the benefits of the CAN bus communication control protocol and prove the feasibility of CAN bus protocol modeling and simulation in a Stateflow enviornment.

Key words： fiedbus； CAN； Stateflow； network performance

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(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[1-5]，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)[6]。

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。文獻(xiàn)[7]利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET，按照載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)方法（CSMA/CD）的總線仲裁方法，構(gòu)建了CAN網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了CAN網(wǎng)絡(luò)軟件模擬仿真及性能分析；文獻(xiàn)[8]對(duì)基于CAN協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)通信進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能進(jìn)行分析，提出了報(bào)文截止期時(shí)間單元制定方法，并對(duì)其協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)；文獻(xiàn)[9-11]采用petri網(wǎng)對(duì)CAN總線建模，并對(duì)總線性能進(jìn)行仿真與分析。

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 [12]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)訪問控制子層（MAC）。在CAN總線系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)間通過公共傳輸介質(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(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。

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)?！熬彺妗贝砉?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)?！鞍l(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。

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[13]。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)出訪問網(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200 kbit/s，總的運(yùn)行時(shí)間為T = 2 s，并假設(shè)每一幀報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為100 bit，可以得知，CAN總線滿負(fù)載時(shí)傳輸4 000幀數(shù)據(jù)，表示為N=4 000幀，即滿負(fù)載時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度為400 kbit，表示為S = 400 kbit。通過設(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[14]。

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：

[吞吐量=thoutT=thout2] （1）

平均信息時(shí)延的計(jì)算公式為：

[平均信息時(shí)延=i=116yti16] （2）

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：

[通信沖突率=N×負(fù)載率-i=116biN×負(fù)載率 =4 000×負(fù)載率-i=116bi4 000×負(fù)載率] （3）

網(wǎng)絡(luò)利用率的計(jì)算公式為：

[網(wǎng)絡(luò)利用率=uT=u2] （4）

網(wǎng)絡(luò)效率的計(jì)算公式為：

[網(wǎng)絡(luò)效率=thoutu] （5）

負(fù)載完成率的計(jì)算公式為：

[負(fù)載完成率=i=116bii=116pi] （6）

式中i表示節(jié)點(diǎn)編號(hào)（1～16）。

經(jīng)過運(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。結(jié)果如圖3—8中所示。

圖3—8的變化趨勢(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。

圖4中，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。

圖5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。

圖6中，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。

圖7中，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。

圖8中，由于在負(fù)載率較低時(shí)，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。

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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。

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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。

參考文獻(xiàn)

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