CAN總線(xiàn)通信控制協(xié)議的仿真與性能分析

所以，吞吐量的計算公式為：

平均信息時(shí)延的計算公式為：

式中i表示節點(diǎn)編號(I=1～16)。

通信沖突率的計算公式為：

網(wǎng)絡(luò )利用率的計算公式為：

網(wǎng)絡(luò )效率的計算公式為：

負載完成率的計算公式為：

式中i表示節點(diǎn)編號(1~16)。

經(jīng)過(guò)運行仿真模型，得到系統在負載分別為16%、33%、50%、81.5%、100%、125%、150%、175%、200%、230%、250%、280%、310%時(shí)的一系列仿真結果。

依據公式(1)-(6)，我們分析了負載率從0.02到3.1的情況下，CAN總線(xiàn)通信系統中負載率的變化對網(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(xiàn)通信控制協(xié)議決定的，即總線(xiàn)空閑時(shí)，任一節點(diǎn)都有發(fā)起通信的權力，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送產(chǎn)生沖突時(shí)，采用非破壞性位仲裁機制，低優(yōu)先級節點(diǎn)停止發(fā)送，高優(yōu)先級節點(diǎn)不受影響繼續發(fā)送，從而可以避免總線(xiàn)沖突。

圖3中，由于當負載率較低時(shí)，低優(yōu)先級的信息可以競爭到總線(xiàn)權得以發(fā)送，隨著(zhù)負載率的增加，網(wǎng)絡(luò )利用率提高，所以，吞吐量也隨之增加，當負載率增加到一定程度時(shí)，只有高優(yōu)先級的信息得以發(fā)送，此時(shí)吞吐量趨于飽和。

圖3吞吐量與負載率的關(guān)系

圖4中，由于隨著(zhù)負載率的增加，信道主要用來(lái)發(fā)送高優(yōu)先級的信息，而低優(yōu)先級的信息卻被長(cháng)時(shí)間延遲甚至造成數據丟失，所以平均信息時(shí)延隨著(zhù)負載率的增加幾乎呈線(xiàn)性增加。

圖4平均信息時(shí)延與負載率的關(guān)系

圖5中，由于隨著(zhù)負載率增加，吞吐量增加，即單位時(shí)間內需要處理的信息量增加，信息發(fā)生沖突的機會(huì )也增加。而且隨著(zhù)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(huì )也增加的較為緩和，即通信吞吐率增加的較為緩和。

圖5通信沖突率與負載率的關(guān)系

圖6中，由于隨著(zhù)負載率增加，吞吐量隨之增加，則單位時(shí)間內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不斷地傳輸信號，這樣隨著(zhù)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 )達到1。

圖6網(wǎng)絡(luò )利用率與負載率的關(guān)系

圖7中，由于隨著(zhù)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(shí)間也在增加，并且在吞吐量達到飽和時(shí)，通道處于忙碌狀態(tài)的時(shí)間也趨于穩定，所以，單位時(shí)間內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(zhù)負載率變化而變化，基本在一個(gè)恒值附近微小變化。

圖7網(wǎng)絡(luò )效率與負載率的關(guān)系

圖8中，由于在負載率較低時(shí)，各優(yōu)先級的信息都可以競爭到總線(xiàn)權得以發(fā)送，所有節點(diǎn)成功向總線(xiàn)上發(fā)送的數據幀的個(gè)數與請求發(fā)送的數據幀的個(gè)數相等或相差很小，但是隨著(zhù)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，導致所有節點(diǎn)成功向總線(xiàn)上發(fā)送的數據幀的個(gè)數遠小于請求發(fā)送的數據幀的個(gè)數。所以，負載完成率隨著(zhù)負載率的增加而減小，并且在負載較小時(shí)，負載完成率很大，幾乎接近于1。

圖8負載完成率與負載率的關(guān)系

總之，以上分析結果驗證了CAN總線(xiàn)通信控制協(xié)議的特點(diǎn)。

4結束語(yǔ)

運用MATLAB軟件中Stateflow工具箱來(lái)對CAN總線(xiàn)通信系統建模仿真切實(shí)可行，是現場(chǎng)總線(xiàn)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(guān)系，而且形象直觀(guān)貼近實(shí)際系統，易于理解，也便于修改調試。