基于有色Petri網的CAN總線仿真與性能分析

宋小慶，任維彬，2，陳克偉，熊全謙

(1.裝甲兵工程學院控制工程系，北京100072;2.65545部隊，遼寧普蘭店116200)

CAN總線屬于總線式串行通信網絡［1］，采用CSMA/CA機制處理通信過程中所產生的信息沖突。因此，信息傳輸的實時性與信息當時所擁有的優先地位相關，而這也直接影響到整個總線的傳輸性能。鑒于總線網絡是一個強耦合、離散的信息系統，因此，直接通過解析法建模進行分析具有一定難度。而Petri網由于其形式化行為描述特征，而被廣泛應用于總線通信系統中，如隨機Petri網(Stochastic Petri Net，SPN)在航空綜合電子系統中已經得到了運用［2］。目前，Petri網主要分為2類:隨機Petri網和有色 Petri網(Colored Petri Net，CPN)。隨機Petri網側重隨機過程的分析，不能對總線網絡進行較為全面的分析;而有色Petri網可以對系統行為進行準確的描述，從而準確地建立總線性能仿真模型。本文采用有色Petri網，以CPN Tools為工具建立基于CAN總線競爭機制模型，并以連接了5個節點的某型戰車總線網絡為例，進行性能仿真與分析。

1 CPN與CPN Tools

1962年，德國的Carl Adam Petri在他的博士論文《用自動機通信》中首次使用網狀結構模擬通信系統［2］，這種系統模型后來以Petri網命名。

CPN是在基本Petri網的基礎上發展起來的一種高級Petri網［3］。CPN中的主要元素有:帶顏色的標識、庫所、變遷和弧。建模過程中，將綜合電子系統狀態、消息、數據和指令等信息描述為標識，信息的不同類型用不同顏色集加以區分;將這些信息的駐留或緩存區用庫所來描述;報文發送接收、命令執行等事件用變遷來描述;弧則描述了信息的流向。

CPN Tools是丹麥Aarhus大學CPN小組對CPN仿真軟件Design/CPN的再設計。它使用了新的、更快的CPN仿真器和更強的網絡進行語法檢查，并且可以使用CPN ML語言來定義規范和描述網絡。

2 CAN總線網絡的拓撲結構

圖1為某型車輛的CAN總線拓撲結構［4］，該總線網絡上共掛接了5個節點，其優先級按照其節點1到節點5依次遞減。

圖1 CAN總線拓撲結構

3 CAN總線網絡消息傳輸過程分析

總線網絡工作時，消息在總線上傳輸包括3個階段:

1)通過總線發送節點進行發送;

2)根據節點優先級獲取消息對總線占用權，實現消息在傳輸信道上的傳輸(該部分包括優先級仲裁以及傳輸延遲);

3)判定總線接收節點通過驗收濾波，被相應總線節點判定接收。

CAN總線網絡消息傳輸過程如圖2所示。初始化代表一個動態的分配過程，將所有CAN幀根據其所具有的標志位ID，指派到具有優先級差別的5個CAN節點上;優先級仲裁過程代表依據CSMA/CA的總線仲裁原則，對同一時刻將要發送到總線上的CAN幀進行仲裁，將具有最高優先級的CAN幀取出，送到總線上進行發送;CAN BUS代表總線，同一時刻只能容納一幀消息幀;濾波代表根據每一幀消息幀的目的標識位，進行發送到達指定CAN節點的過程;目的節點代表消息幀將要送達的指定節點。

圖2 CAN總線網絡消息傳輸過程

4 CAN總線各功能模塊建模

4.1 初始化模塊

初始化模塊如圖3所示。其中:變遷ComList代表接收從服務器端經底層接口傳送過來的命令表，將其存放在庫所List中;變遷Distri代表按照指定ID位將命令幀指派到各個節點的過程;庫所Cache1，2，3代表各個節點緩存，存放屬于各個節點的CAN幀。

圖3 初始化模塊

4.2 CAN幀發送模塊

CAN幀發送模塊如圖4所示。其中:變遷Sort1代表將節點緩存中的CAN幀按照優先級順序進行排序的過程;庫所Tok1中存放節點使能令牌，當Tok1中存在使能令牌時，變遷Sort1被激活，可以完成排序并將排序后的CAN幀組成的表送入CAN節點Nod1中;變遷First1代表取出優先級最高的一幀送入發送緩沖區進行發送的過程;庫所Waiting代表發送緩沖區。

圖4 CAN幀發送模塊

4.3 CAN幀接收模塊

CAN幀接收模塊如圖5所示。其中:變遷TNod1代表將獲得總線使用權的CAN幀發送到其目的節點Nod1中;變遷Return1代表將節點使能令牌歸還給庫所Tok1。

圖5 CAN幀接收模塊

4.4 優先級仲裁模塊

優先級仲裁模塊如圖6所示。其中:變遷Filter1代表具有較高優先級的CAN幀發送過程;Filter2代表發送具有相對較低優先級的變遷;CacheA，B代表發送緩沖區;變遷Sending1，2代表向總線發送通過競爭獲得總線使用權的CAN幀的過程。在2條并行的流程中，通過反庫所Anti12結構的設置［5］，實現當變遷Filter1，2同時使能時，變遷Filter1具有使能令牌的優先使用權，而當Filter1具有總線使用權時，變遷Filter2無法獲得使能令牌，從而失活［6－7］。變遷Sending1激發之后，將使能令牌歸還，變遷Filter2使能。該過程仿真當同時有一個以上節點具有幀等待發送時，可以根據優先級實現具有較高優先級的幀優先發送，具有較低優先級的CAN幀讓出總線使用權，等待高優先級發送完畢后繼續向總線發送。

圖6 優先級仲裁模塊

4.5 濾波模塊

濾波模塊如圖7所示。其中:庫所CANBUS代表總線上有CAN幀即將向目的節點發送的狀態;變遷TNod代表根據CAN幀的目的節點標識位，通過設置警戒函數，將標識位與目的節點不相符的幀過濾除去，將符合的CAN幀發送到目的節點的過程;庫所Nod代表目的節點。

圖7 濾波模塊

5 模型實現

模型的運行過程主要通過CPN ML語言來實現。CPN ML是一種面向表達式的函數式語言［8］，是對標準ML的拓展，它可以直接用CPN的概念和ML語言的功能對系統進行模型的描述和控制，實現定量的仿真和性能分析。模型實現流程如圖8所示。

圖8 模型實現主要流程

在建成的模塊化的基礎上，依據抽象出來的總體模型，結合Petri網原理中標識與顏色集、標識的狀態與庫所、標識的動作與變遷的對應關系，可以將模型劃分為3個基本層次:初始化層、優先級仲裁層和濾波層。各層主要功能如表1所示，基本層次如圖9－11所示。

表1 層次功能表

圖9 初始化層

圖10 優先級仲裁層

圖11 濾波層

6 性能仿真與分析

6.1 性能指標計算

CAN總線系統的性能指標主要包括總線的負載、總線的利用率和總線效率等?？偩€負載和總線效率計算公式如下:

總線負載=數據幀傳輸時間/CAN卡激活時間;

總線效率=有效數據部分傳輸時間/數據幀傳輸時間。

本文在使用CAN總線進行通信時采用的是數據幀。數據幀由7個不同的位域組成，分別為幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC域、ACK域和幀結束，其中，數據域的長度可以為0。數據幀結構如表2所示。

表2 數據幀結構

其中:幀起始以一個比特的顯位出現;仲裁域由29位標識符、替代遠程請求位、標識位和遠程發送請求位組成;控制域包括4位的數據長度碼、IDE顯性位和保留位;數據域可以包括0～8個字節，位數為8n(0≤n≤8);CRC域取16位;ACK域包括應答間隙和應答界定符2位;幀結束由7個隱位組成的標志序列界定。

設總線負載為η，總線效率為θ，每位數傳輸時間為t'，CAN激活時間為t，則可得

6.2 仿真實驗

在建立了CAN網絡模型基礎上，本文對CAN網絡的網絡實時性能指標進行了仿真分析。仿真分析時，網絡上每個節點的具體信息如表3所示。

表3 CAN總線網絡信息列表

仿真結果得出總線利用率與節點之間關系如表4所示。

表4 總線利用率與節點關系

6.3 定量分析

通過模型仿真得到如圖12所示關系曲線，對指定的模型消息幀進行分析，在總線上傳送的幀數不斷增加的過程中，總線利用率不斷提升。圖中前3段折線反映總線利用率上升的速度在逐漸加快，這主要是由于每一個CAN幀所攜帶的數據長度變大。從表3的周期變化中可以看出:由于幀間空間變大，總線空閑時間相對變長，從而使得總線利用率增長速度有所減緩。

圖12 總線利用率隨幀數變化曲線

當在模型中發送表3中CAN幀的過程中，模型仿真可得其總線效率隨時間變化關系，如圖13所示(橫坐標有縮放)。

圖13 總線效率隨時間變化曲線

由圖13可見:影響總線效率的主要因素是數據的長度，并且和幀的周期密切相關。模型仿真的結果符合式(1)、(2)的CAN總線性能指標理論計算公式，驗證了模型的正確性。

6.4 定性分析

從定性的角度，進一步分析基于有色Petri網的CAN總線模型的合理性。

1)從CAN總線的功能角度，模型實現了CAN總線的數據傳輸功能，反映了CAN總線自身的功能和特點。

2)從CAN總線的靜態結構特性角度，模型實現了CAN總線的單級總線拓撲結構，反映了CAN總線的靜態結構特性。

3)從CAN總線的動態行為特性角度，模型實現了CAN總線的多主競爭機制，模擬了CAN總線的動態運行，反映了CAN總線的動態行為特性，因而更具合理性。

7 結論

本文在CPN Tools環境下基于有色Petri網建立了CAN總線模型，并以某型車輛作為仿真實例，通過定性和定量分析，驗證了模型的合理性和正確性。下一步將進行CAN總線算法研究以及對多級總線網絡互聯的建模與研究。

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