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)議的基礎上，在MATLAB/Simulink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，可以分析CAN總線通信系統(tǒng)中負載率的變化對網(wǎng)絡吞吐量、平均信息時延、通信沖突率、網(wǎng)絡利用率、網(wǎng)絡效率以及負載完成率的影響。仿真結果驗證了CAN總線通信控制協(xié)議的特點，同時也證明了Stateflow對CAN總線協(xié)議進行建模仿真的可行性。

關鍵詞：現(xiàn)場總線；CAN；狀態(tài)流；網(wǎng)絡性能

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。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(diào)試方便、使用靈活和性價比高等優(yōu)點，己經(jīng)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[1-5]，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[6]。

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。文獻[7]利用網(wǎng)絡仿真軟件OPNET，按照載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測方法（CSMA/CD）的總線仲裁方法，構建了CAN網(wǎng)絡三層結構模型，實現(xiàn)了CAN網(wǎng)絡軟件模擬仿真及性能分析；文獻[8]對基于CAN協(xié)議現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)中的實時通信進行了深入系統(tǒng)的研究，對CAN總線網(wǎng)絡實時性能進行分析，提出了報文截止期時間單元制定方法，并對其協(xié)議進行了改進；文獻[9-11]采用petri網(wǎng)對CAN總線建模，并對總線性能進行仿真與分析。

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 [12]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(wǎng)絡吞吐量、平均信息時延、通信沖突率、網(wǎng)絡利用率、網(wǎng)絡效率以及負載完成率的影響。

1 CAN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(zhì)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(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)絡上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)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。

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。

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。

通信調(diào)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(jīng)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(wǎng)絡的控制機理，并能動態(tài)地仿真其通信活動。

3 網(wǎng)絡性能

3.1 性能指標

我們先介紹總線網(wǎng)絡相關性能指標的相關定義[13]。

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

吞吐量：單位時間內(nèi)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(wǎng)絡利用率：單位時間內(nèi)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(wǎng)絡效率：單位時間內(nèi)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200 kbit/s，總的運行時間為T = 2 s，并假設每一幀報文的數(shù)據(jù)長度為100 bit，可以得知，CAN總線滿負載時傳輸4 000幀數(shù)據(jù)，表示為N=4 000幀，即滿負載時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的總長度為400 kbit，表示為S = 400 kbit。通過設定各節(jié)點的發(fā)送周期，來調(diào)整負載率的大小[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(chǎn)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：

[吞吐量=thoutT=thout2] （1）

平均信息時延的計算公式為：

[平均信息時延=i=116yti16] （2）

式中i表示節(jié)點編號（I = 1～16）。

通信沖突率的計算公式為：

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

網(wǎng)絡利用率的計算公式為：

[網(wǎng)絡利用率=uT=u2] （4）

網(wǎng)絡效率的計算公式為：

[網(wǎng)絡效率=thoutu] （5）

負載完成率的計算公式為：

[負載完成率=i=116bii=116pi] （6）

式中i表示節(jié)點編號（1～16）。

經(jīng)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(wǎng)絡吞吐量、平均信息時延、通信沖突率、網(wǎng)絡利用率、網(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)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5中，由于隨著負載率增加，吞吐量增加，即單位時間內(nèi)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6中，由于隨著負載率增加，吞吐量隨之增加，則單位時間內(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，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(wǎng)絡利用率也隨之增加并趨于1，但不會達到1。

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(nèi)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。

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(diào)試。

參考文獻

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[14] 郝佳，吳杰長，郭朝有.CAN總線通信過程的Stateflow建模與仿真[J].計算機與數(shù)字工程，2011，39（9）：54-56.

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(diào)試。

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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(diào)試。

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