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(wǎng)絡［1］，采用CSMA/CA機制處理通信過程中所產(chǎn)生的信息沖突。因此，信息傳輸?shù)膶崟r性與信息當時所擁有的優(yōu)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(wǎng)絡是一個強耦合、離散的信息系統(tǒng)，因此，直接通過解析法建模進行分析具有一定難度。而Petri網(wǎng)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(tǒng)中，如隨機Petri網(wǎng)(Stochastic Petri Net，SPN)在航空綜合電子系統(tǒng)中已經(jīng)得到了運用［2］。目前，Petri網(wǎng)主要分為2類:隨機Petri網(wǎng)和有色 Petri網(wǎng)(Colored Petri Net，CPN)。隨機Petri網(wǎng)側(cè)重隨機過程的分析，不能對總線網(wǎng)絡進行較為全面的分析;而有色Petri網(wǎng)可以對系統(tǒng)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(wǎng)，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(jié)點的某型戰(zhàn)車總線網(wǎng)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(wǎng)狀結(jié)構模擬通信系統(tǒng)［2］，這種系統(tǒng)模型后來以Petri網(wǎng)命名。

CPN是在基本Petri網(wǎng)的基礎上發(fā)展起來的一種高級Petri網(wǎng)［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(tǒng)狀態(tài)、消息、數(shù)據(jù)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(qū)分;將這些信息的駐留或緩存區(qū)用庫所來描述;報文發(fā)送接收、命令執(zhí)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(wǎng)絡進行語法檢查，并且可以使用CPN ML語言來定義規(guī)范和描述網(wǎng)絡。

2 CAN總線網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構

圖1為某型車輛的CAN總線拓撲結(jié)構［4］，該總線網(wǎng)絡上共掛接了5個節(jié)點，其優(yōu)先級按照其節(jié)點1到節(jié)點5依次遞減。

圖1 CAN總線拓撲結(jié)構

3 CAN總線網(wǎng)絡消息傳輸過程分析

總線網(wǎng)絡工作時，消息在總線上傳輸包括3個階段:

1)通過總線發(fā)送節(jié)點進行發(fā)送;

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

3)判定總線接收節(jié)點通過驗收濾波，被相應總線節(jié)點判定接收。

CAN總線網(wǎng)絡消息傳輸過程如圖2所示。初始化代表一個動態(tài)的分配過程，將所有CAN幀根據(jù)其所具有的標志位ID，指派到具有優(yōu)先級差別的5個CAN節(jié)點上;優(yōu)先級仲裁過程代表依據(jù)CSMA/CA的總線仲裁原則，對同一時刻將要發(fā)送到總線上的CAN幀進行仲裁，將具有最高優(yōu)先級的CAN幀取出，送到總線上進行發(fā)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(jù)每一幀消息幀的目的標識位，進行發(fā)送到達指定CAN節(jié)點的過程;目的節(jié)點代表消息幀將要送達的指定節(jié)點。

圖2 CAN總線網(wǎng)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(jīng)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(jié)點的過程;庫所Cache1，2，3代表各個節(jié)點緩存，存放屬于各個節(jié)點的CAN幀。

圖3 初始化模塊

4.2 CAN幀發(fā)送模塊

CAN幀發(fā)送模塊如圖4所示。其中:變遷Sort1代表將節(jié)點緩存中的CAN幀按照優(yōu)先級順序進行排序的過程;庫所Tok1中存放節(jié)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(jié)點Nod1中;變遷First1代表取出優(yōu)先級最高的一幀送入發(fā)送緩沖區(qū)進行發(fā)送的過程;庫所Waiting代表發(fā)送緩沖區(qū)。

圖4 CAN幀發(fā)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(fā)送到其目的節(jié)點Nod1中;變遷Return1代表將節(jié)點使能令牌歸還給庫所Tok1。

圖5 CAN幀接收模塊

4.4 優(yōu)先級仲裁模塊

優(yōu)先級仲裁模塊如圖6所示。其中:變遷Filter1代表具有較高優(yōu)先級的CAN幀發(fā)送過程;Filter2代表發(fā)送具有相對較低優(yōu)先級的變遷;CacheA，B代表發(fā)送緩沖區(qū);變遷Sending1，2代表向總線發(fā)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(jié)構的設置［5］，實現(xiàn)當變遷Filter1，2同時使能時，變遷Filter1具有使能令牌的優(yōu)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(fā)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(jié)點具有幀等待發(fā)送時，可以根據(jù)優(yōu)先級實現(xiàn)具有較高優(yōu)先級的幀優(yōu)先發(fā)送，具有較低優(yōu)先級的CAN幀讓出總線使用權，等待高優(yōu)先級發(fā)送完畢后繼續(xù)向總線發(fā)送。

圖6 優(yōu)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(jié)點發(fā)送的狀態(tài);變遷TNod代表根據(jù)CAN幀的目的節(jié)點標識位，通過設置警戒函數(shù)，將標識位與目的節(jié)點不相符的幀過濾除去，將符合的CAN幀發(fā)送到目的節(jié)點的過程;庫所Nod代表目的節(jié)點。

圖7 濾波模塊

5 模型實現(xiàn)

模型的運行過程主要通過CPN ML語言來實現(xiàn)。CPN ML是一種面向表達式的函數(shù)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(tǒng)進行模型的描述和控制，實現(xiàn)定量的仿真和性能分析。模型實現(xiàn)流程如圖8所示。

圖8 模型實現(xiàn)主要流程

在建成的模塊化的基礎上，依據(jù)抽象出來的總體模型，結(jié)合Petri網(wǎng)原理中標識與顏色集、標識的狀態(tài)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(yōu)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(yōu)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(tǒng)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(shù)據(jù)幀傳輸時間/CAN卡激活時間;

總線效率=有效數(shù)據(jù)部分傳輸時間/數(shù)據(jù)幀傳輸時間。

本文在使用CAN總線進行通信時采用的是數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀由7個不同的位域組成，分別為幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、ACK域和幀結(jié)束，其中，數(shù)據(jù)域的長度可以為0。數(shù)據(jù)幀結(jié)構如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構

其中:幀起始以一個比特的顯位出現(xiàn);仲裁域由29位標識符、替代遠程請求位、標識位和遠程發(fā)送請求位組成;控制域包括4位的數(shù)據(jù)長度碼、IDE顯性位和保留位;數(shù)據(jù)域可以包括0～8個字節(jié)，位數(shù)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(jié)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(shù)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(wǎng)絡模型基礎上，本文對CAN網(wǎng)絡的網(wǎng)絡實時性能指標進行了仿真分析。仿真分析時，網(wǎng)絡上每個節(jié)點的具體信息如表3所示。

表3 CAN總線網(wǎng)絡信息列表

仿真結(jié)果得出總線利用率與節(jié)點之間關系如表4所示。

表4 總線利用率與節(jié)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)變化曲線

當在模型中發(fā)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(shù)據(jù)的長度，并且和幀的周期密切相關。模型仿真的結(jié)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(wǎng)的CAN總線模型的合理性。

1)從CAN總線的功能角度，模型實現(xiàn)了CAN總線的數(shù)據(jù)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(tài)結(jié)構特性角度，模型實現(xiàn)了CAN總線的單級總線拓撲結(jié)構，反映了CAN總線的靜態(tài)結(jié)構特性。

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

7 結(jié)論

本文在CPN Tools環(huán)境下基于有色Petri網(wǎng)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(wǎng)絡互聯(lián)的建模與研究。

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