CAN總線通信控制協(xié)議的仿真與性能分析

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3吞吐量與負(fù)載率的關(guān)系

圖4中，由于隨著負(fù)載率的增加，信道主要用來發(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4平均信息時(shí)延與負(fù)載率的關(guān)系

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5通信沖突率與負(fù)載率的關(guān)系

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6網(wǎng)絡(luò)利用率與負(fù)載率的關(guān)系

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7網(wǎng)絡(luò)效率與負(fù)載率的關(guān)系

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。

圖8負(fù)載完成率與負(fù)載率的關(guān)系

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

運(yùn)用MATLAB軟件中Stateflow工具箱來對(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。