CAN總線網絡建模及性能分析

冷令，吳偉斌

CAN總線網絡建模及性能分析

冷令，吳偉斌

針對傳統解析法難以有效評估CAN總線網絡性能指標的難題，提出了一種基于以確定與隨機Petri網（Deterministic and Stochastic Petri Net， DSPN）的CAN總線網絡建模與性能分析方法。采用DSPN建立了CAN總線網絡的性能分析模型，有效地模擬了CAN總線網絡的動態行為特性。在TimeNET 4.0軟件環境下實現CAN總線網絡DSPN模型的基礎上，仿真得到了CAN總線網絡的吞吐量和平均延遲的變化曲線，驗證了所提方法的正確性和有效性。

CAN總線網絡；消息幀；確定與隨機Petri網；性能指標

0　引言

CAN總線網絡是一個強耦合、離散的復雜系統，傳統解析法（如排隊理論等）無法準確模擬CAN總線網絡的動態行為特性，不能有效地評估CAN總線網絡的性能指標［1］。因此，如何有效地模擬CAN總線網絡的動態行為特性，并評估其性能指標已經成為一個緊要的難題。

Petri網是一種有力的離散事件系統建模與分析工具，已經應用到了軟件設計、工作流分析、故障診斷等諸多領域［2］。確定與隨機Petri網［2］（Deterministic and Stochastic Petri Net，DSPN）是一種高級Petri網建模工具，特別適合模擬總線網絡的動態行為特性［3-6］。為此，本文以總線網絡為研究對象，采用確定與隨機Petri網建立CAN總線網絡的DSPN模型，分析其性能指標。

1　CAN總線網絡通信機制分析

CAN總線網絡拓撲結構，如圖1所示：

圖1　CAN總線網絡拓撲結構

在CAN總線網絡拓撲結構中，各個節點之間不分主從，而是對等關系，即當總線網絡處于空閑狀態時，各個節點都可以主動地向總線網絡上發送消息幀。CAN總線網絡的通信過程大致如下：在一個總線網絡中，處于待發送消息幀狀態的節點監聽總線網絡的閑忙狀態。當總線網絡處于空閑狀態時，待發送消息幀節點發送相應的消息幀。當有兩個及以上個節點發送消息幀時，會發生沖突，此時按照CAN總線網絡采用的基于靜態優先級的非破壞性位仲裁機制，根據消息幀格式中仲裁域的標識符進行逐位仲裁，優先級高的消息幀將獲得總線使用權，不受任何影響地（時間上無任何損耗）持續發送相應的消息幀。而低優先級的消息幀由于仲裁失敗，退出總線網絡，相應的節點繼續監聽總線網絡忙閑狀態，待總線網絡再一次空閑，則繼續發送。

2　CAN總線網絡建模

2.1DSPN建模元素用法

定義1［2］：一個DSPN可以由一個8元組構成，DSPN=（P，T， I， O， H， M0， W，λ），其中：

（1）P=｛P1， P2，…，Pm｝為位置的有窮集合；

（2）T=｛T1， T2，…，Tn｝為變遷的有窮集合；

（3）I為輸入有向弧的有窮集合；

（4）O為輸出有向弧的有窮集合；

（5）H為禁止弧的有窮集合；

（6）M0為初始標識的有窮集合；

（7）W為弧權函數的有窮集合；

（8）λ=｛λ1， λ2，…，λm｝表示變遷的平均實施速率集合。

在CAN總線網絡建模過程中，DSPN建模元素的符號表示和用法，如表1所示：

表1　DSPN建模元素符號表示與用法

2.2基于DSPN的CAN總線網絡建模

基于確定與隨機Petri網建模框架，構建了CAN總線網絡的DSPN模型，如圖2所示。模型中包含14個位置，9個變遷，其中：3個瞬時變遷，3個指數時間變遷和3個確定時間變遷，主要的位置和變遷及其含義如表2和3所示。假設CAN總線網絡中有N個優先級大小依次為1到N的消息幀集合，以消息幀為研究對象，又已知CAN總線網絡中高優先級的消息幀具有優先發送權，則將該消息幀集合等效為三個節點：優先級大于k的消息幀集合S1=｛F1， F2，，Fk-1｝等效為一個節點；優先級為k的集合S2=｛Fk｝等效為一個節點；優先級小于k的消息幀集合S3=｛Fk+1，Fk+2，，FN｝等效為一個節點。CAN總線網絡的DSPN模型正是按照等效節點的思路構建的。

表2　主要位置及其含義

表3　主要變遷及其含義

Ta3 優先級小于?k的消息幀獲得總線使用權Tt1 優先級大于k的消息幀在總線網絡上傳輸Tt2 消息幀Fk在總線網絡上傳輸Tt3 優先級小于k的消息幀在總線網絡上傳輸

模型按照CAN總線網絡消息幀的通信過程分為3個子過程：消息幀的產生子過程、消息幀的仲裁子過程和消息幀的傳輸子過程。

（1）消息幀的產生子過程：位置Pei（i=1，2，3）分別用于控制3個等效節點中消息幀的循環產生；位置Pqi（i=1，2，3）分別用于存儲3個等效節點中消息幀的個數；指數時間變遷Tei（i=1，2，3）分別模擬3個等效節點中消息幀的到達過程，設定3個指數時間變遷實施時間服從參數為λi（i=1，2，3）（Frame/s）的負指數分布；禁止弧上權值k-1，1和N-k分別用于限制3個等效節點中消息幀的處理能力上界。

（2）消息幀的仲裁子過程：位置Ppi（i=1，2，3）分別表示在3個等效節點中已經產生的消息幀；瞬時變遷Tai（i=1，2，3）分別表示在3個等效節點中的消息幀獲得總線使用權，由于CAN總線網絡采用非破壞性位仲裁機制，因此消息幀之間仲裁不占用額外時間，因此使用瞬時變遷加以模擬；位置Pa1表示在相應等效節點中已經產生的優先級大于k的消息幀集合，引出禁止弧分別到瞬時變遷Ta2和Ta3，用以保證優先級大于k的消息幀優先獲得總線使用權；位置Pa2表示在相應等效節點中已經產生的消息幀Fk，引出禁止弧到瞬時變遷Ta3，用以保證消息幀Fk優先獲得總線使用權。如果CAN總線網絡上已經有低優先級的消息幀正在傳輸，那么高優先級的消息幀只能等待低優先級的消息幀傳輸完畢，才能發送。因此，模型從位置Pt3引出禁止弧分別到瞬時變遷Ta1和Ta2，從位置Pt2引出禁止弧到瞬時變遷Ta1，用以禁止高優先級消息幀的搶占。

（3）消息幀的傳輸子過程：位置Pti（i=1，2，3）分別表示在3個等效節點中待傳輸的消息幀；確定時間變遷Tti（i=1，2，3）表示消息幀的傳輸時間，CAN總線網絡在應用中大多選擇標準幀格式，即每個消息幀有130bits，通常通信速率選擇125b/s，250kb/s和500b/s 3種，本文模型選擇通信速率為250kb/s，則消息幀的傳輸時間為0.00052s，設定3個確定時間變遷的實施時間為0.00052s。

3　模型仿真及性能分析

3.1仿真環境及性能指標

本文以TimeNET 4.0［7］為仿真平臺，建立了CAN總線網絡的DSPN模型，分析相關性能指標。在仿真軟件中設置參數如下：

置信度區間為95%；

最大相對誤差為5%；

消息幀的傳輸時間為0.00052s。

設E｛#Pname｝表示位置Pname在穩態狀態時的平均標記數，根據Little公式，定義CAN總線網絡的吞吐量和消息幀的平均延遲為公式（1）、（2）：

3.2性能分析

在TimeNET 4.0軟件環境下進行模型仿真得到CAN總線網絡的系統吞吐量和3個等效節點消息幀的吞吐量及平均延遲如圖3和圖4所示：

圖3　CAN總線網絡的吞吐量

圖4　CAN總線網絡的平均延遲

當0≤λ≤1000時，系統的吞吐量和各個等效節點消息幀的吞吐量不斷增加，平均延遲時間變化不是太大。當1000≤λ≤2000時，系統的吞吐量和等效節點1和2的消息幀的吞吐量繼續不斷增加，而等效節點3的吞吐量開始不斷減少，這是由于低優先級的消息幀在總線使用權的競爭中失敗，因此等效節點消息幀平均延遲時間在臨界點開始急劇增大，最后嚴重阻塞，此外，系統的吞吐量在λ=2000達到極大值。當2000≤λ≤3000時，系統的吞吐量保持在極大值附近，等效節點1的消息幀的吞吐量繼續增大，平均延遲時間逐步減少，而由于優先級低，等效節點2和3的消息幀的吞吐量則不斷減少，等效節點2的消息幀的平均延遲時間在臨界點開始急劇增大，最后嚴重阻塞。由圖3和4依次可以在各個區間段分析系統性能指標的變化情況，不難看出，所建模型有效地模擬了CAN總線網絡的動態行為特性，保證了高優先級消息幀的優先發送，模型仿真分析得到了CAN總線網絡性能指標的變化曲線，可以為CAN總線網絡分析與設計提供有益參考。

4　總結

本文以CAN總線網絡為研究對象，提出一種基于DSPN的CAN總線網絡建模與性能分析方法。將CAN總線網絡中不同優先級的消息幀集合等效為三類節點，建立了CAN總線網絡的DSPN模型。在此基礎上，利用TimeNET 4.0仿真工具實現了CAN總線網絡的DSPN模型，仿真得到了CAN總線網絡的性能指標的變化曲線，驗證了本文方法和模型的有效性。下一步可以將模型和特定的應用領域和研究對象結合，進行系統性能指標優化設計等方面的研究。

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Modeling and Performance Analysis of CAN Bus Network

Leng Ling1， Wu Weibin2
（1.Zhongshan Polytechnic Institute， Zhongshan528400， China；2.College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou510642， China）

Aiming at the problem that it is difficult to evaluate the performance index of CAN bus network with traditional analytical method， and a new modeling and performance analysis method of CAN bus network with deterministic and stochastic petri net（DSPN）. The performance analysis model of CAN bus network which can describe the dynamic behavior of CAN bus network is constructed. Based on realizing the DSPN model of CAN bus network in TimeNET 4.0 software environment， change curve of the throughput and the average delay-time are obtained by simulation， and The correctness and effectiveness of the proposed method are verified.

CAN Bus Network； Message Frame； Deterministic and Stochastic Petri Net； Performance Index

TP393

B

1007-757X（2016）06-008-03

2015.11.02）

“十二五”農村領域國家科技計劃項目（2014BAD16B0103）；2015年度國家星火計劃（2015GA780063）；廣東省省級科技計劃項目（2014A070713032）

冷 令（1980-），男，沈陽人，中山職業技術學院，碩士，研究方向：計算機網絡技術，中山，528400

吳偉斌（1978-），男，中山人，華南農業大學，工程學院，博士，教授，碩士生導師，中國農業工程學會高級會員（E041200601S），研究方向：農業工程、機電一體化和信息技術應用研究。廣州，510642。