劉輝 譚延亮 焦鉻

摘 要： 首先對(duì)CAN總線通訊協(xié)議進(jìn)行分析，然后對(duì)嵌入式硬件仿真環(huán)境SkyEye的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的研究，利用SkyEye構(gòu)建了CAN總線通訊仿真環(huán)境。為了評(píng)估所設(shè)計(jì)的CAN仿真節(jié)點(diǎn)的性能，對(duì)CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，我們所設(shè)計(jì)的CAN節(jié)點(diǎn)不僅能正確實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，還能達(dá)到較高的CAN網(wǎng)絡(luò)通信速率。最后闡述了在計(jì)算機(jī)實(shí)踐課教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： CAN總線； SkyEye； 仿真； 計(jì)算機(jī)實(shí)踐課教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）06-44-03

0 引言

由于在汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展過(guò)程中，需要安裝在汽車(chē)上的電子設(shè)備不繼增加，因此點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接這些汽車(chē)電子設(shè)備的專(zhuān)用電子線路迅速膨脹，連接起來(lái)更加復(fù)雜和繁瑣。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和故障診斷能力，將連接線路進(jìn)行簡(jiǎn)化，使數(shù)據(jù)資源在各電控單元之間進(jìn)行共享更加方便，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)就是有效解決這個(gè)問(wèn)題的方法[1-2]。

在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)通信中，由于CAN總線具有布線簡(jiǎn)單、典型的總線型結(jié)構(gòu)、能夠有效地節(jié)約布線和維護(hù)成本、性能穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性與抗干擾能力強(qiáng)、傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。由于CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)有很多參數(shù)需要設(shè)置，而CAN總線工作性能直接受到這些參數(shù)設(shè)定的影響，但是在沒(méi)有輔助工具幫助的情況下，參數(shù)的有效設(shè)定只能憑汽車(chē)工程師的經(jīng)驗(yàn)和不斷地嘗試摸索。因此，需要有合適的工具和可行的方法對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的仿真和評(píng)估，從而提高汽車(chē)工程師設(shè)計(jì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)以及在評(píng)估CAN總線網(wǎng)絡(luò)性能方面的效率[4]。

1 CAN總線協(xié)議分析

為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的仿真，非常有必要對(duì)CAN總線通訊協(xié)議進(jìn)行深入研究。須建立起任意兩個(gè)或多個(gè)CAN設(shè)備之間的兼容性，這是CAN總線通訊協(xié)議定義的目的。

CAN總線具有以下特性[5]：①報(bào)文的優(yōu)先權(quán)；②保證延遲時(shí)間；③設(shè)置靈活；④系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的一致性（System Wide Data Consistency）；⑤多主機(jī)（對(duì)等）；⑥錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤標(biāo)定；⑦當(dāng)總線處于空閑時(shí)，能夠自動(dòng)將破壞的報(bào)文重新傳輸；⑧能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的永久性錯(cuò)誤和暫時(shí)性錯(cuò)誤區(qū)分開(kāi)，并且可以將CAN的錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)自動(dòng)關(guān)閉。

CAN的ISO/OSI參考模型的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

從其參考模型的分層結(jié)構(gòu)可以看出，CAN通訊協(xié)議的結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）與物理層（Physical Layer）。在CAN中，為了解決不同通信節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行消息傳輸時(shí)的電氣屬性，物理層為所有通信節(jié)點(diǎn)共享使用。

2 嵌入式硬件仿真環(huán)境SkyEye的結(jié)構(gòu)

利用仿真軟件來(lái)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的各種硬件進(jìn)行模擬，開(kāi)發(fā)人員不需要利用開(kāi)發(fā)板，直接在仿真環(huán)境中運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行，能夠大大提高開(kāi)發(fā)速度并降低開(kāi)發(fā)成本。SkyEye是一個(gè)開(kāi)源軟件項(xiàng)目，中文名字為“天目”[7]，能夠在通用的Windows操作系統(tǒng)和Linux操作平臺(tái)上對(duì)目前主流的嵌入式開(kāi)發(fā)板及外部設(shè)備進(jìn)行軟件仿真，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可擴(kuò)展的硬件模擬框架，使系統(tǒng)軟件能夠在仿真平臺(tái)上運(yùn)行。SkyEye軟件的核心在于目標(biāo)模擬模塊，操作系統(tǒng)與系統(tǒng)軟件在SkyEye仿真環(huán)境中運(yùn)行時(shí)可以使人根本意識(shí)不到是在一個(gè)計(jì)算機(jī)的虛擬系統(tǒng)上運(yùn)行。SkyEye目前在教學(xué)、科研等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

目前SkyEye的最新版本已經(jīng)完全和原先的GDB/ARMulator分離，并對(duì)原先的GDB/ARMulator進(jìn)行了全面的擴(kuò)充和改變[8]?？傮w上分為四個(gè)模塊倉(cāng)庫(kù)：①體系結(jié)構(gòu)模塊倉(cāng)庫(kù)（Architecture Module Repository）；②外設(shè)模塊倉(cāng)庫(kù)（Device Module Repository）；③接口模塊倉(cāng)庫(kù)（Interface Module Repository）；④功能模塊倉(cāng)庫(kù)（Function Module Repository）。

SkyEye仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖2所示[9]。

3 軟件仿真平臺(tái)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線通訊協(xié)議進(jìn)行仿真，我們需要在不具備硬件環(huán)境的條件下來(lái)構(gòu)建軟件仿真平臺(tái)。通過(guò)這個(gè)軟件仿真平臺(tái)，能夠一目了然地觀察到CAN總線的數(shù)據(jù)正常發(fā)送、接收、處理和總線的仲裁，以及錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)的故障界定等運(yùn)行過(guò)程。SkyEye仿真平臺(tái)還可以運(yùn)行自定義的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議[10]。

構(gòu)建軟件仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要步驟為：第一步，在電腦的操作系統(tǒng)里安裝虛擬計(jì)算機(jī)軟件VMware Workstation；第二步，打開(kāi)虛擬計(jì)算機(jī)軟件VMware Workstation，將紅帽子Ylmf Linux Y1.5系統(tǒng)直接安裝在虛擬環(huán)境中；第三步，打開(kāi)Linux操作系統(tǒng)，在Linux環(huán)境中將SkyEye仿真軟件進(jìn)行安裝。程序采用Microsoft VC實(shí)現(xiàn)，采用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Dell Inspiron 15R-5537筆記本，2.30GHz主頻，內(nèi)存4GB，100Mbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬 [2]。

仿真CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

⑴ 用超級(jí)用戶(hù)登錄紅帽子Linux系統(tǒng)。

⑵ 打開(kāi)一個(gè)終端。

⑶ 切換到/dev/shm/目錄：cd /dev/shm/。

⑷ 創(chuàng)建目錄can_vbus：mkdir can_vbus。

⑸ 更改目錄can_vbus的訪問(wèn)權(quán)限為0666：chmod 0666 can_vbus。

⑹ 切換到用戶(hù)根目錄：cd /home/lh1111/。

⑺ 進(jìn)入CAN 目錄：cd CAN/。

⑻ 進(jìn)入Sja1000-vcan目錄：cd Sja1000-vcan。

⑼ 進(jìn)入vcanbus目錄：cd vcanbus。

⑽ 運(yùn)行vcanbus程序：./vcanbus。

⑾ 打開(kāi)另外一個(gè)終端。

⑿ 切換到用戶(hù)根目錄：cd /home/lh1111/。

⒀ 進(jìn)入asp目錄：cd asp。

⒁ 因?yàn)镾kyEye已經(jīng)被安裝在/bin目錄下，所以運(yùn)行SkyEye的命令為：skyeye -e asp -c skyeye.conf（-e選項(xiàng)表示要執(zhí)行的目標(biāo)文件，-c選項(xiàng)表示配置文件），這時(shí)可以在終端上看到顯示信息（該窗口表示的是發(fā)送節(jié)點(diǎn)）如圖3所示。

按上述步驟所設(shè)計(jì)的仿真方案，我們可以利用SkyEye軟件仿真平臺(tái)較為真實(shí)地模擬出汽車(chē)類(lèi)CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的環(huán)境和過(guò)程。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

四種傳輸速率下的測(cè)試平均時(shí)間如圖5所示。從圖5可以直觀地看出：它是一個(gè)從高到低的平均傳輸時(shí)間，考慮系統(tǒng)負(fù)載方面，負(fù)載越大，則系統(tǒng)運(yùn)行越慢。最左邊的矩形表示：在200ms的傳輸速度下，相比其他三種傳輸速度下的延遲時(shí)間要高得多，系統(tǒng)的負(fù)載是最高的，也就是說(shuō)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間就越長(zhǎng)。當(dāng)傳輸速率達(dá)到500ms以后，傳輸延遲時(shí)間開(kāi)始趨于平均，這說(shuō)明系統(tǒng)的負(fù)載（即運(yùn)行負(fù)荷）沒(méi)有那么大了。從以上仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，通過(guò)SkyEye硬件模擬平臺(tái)對(duì)CAN通訊協(xié)議進(jìn)行仿真，我們所設(shè)計(jì)的CAN節(jié)點(diǎn)不但在節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信上是正確的，而且CAN通信網(wǎng)絡(luò)也能達(dá)到較高的傳輸速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的仿真方案是有效和可行的。

5 在計(jì)算機(jī)實(shí)踐課教學(xué)中的應(yīng)用

目前各高校在計(jì)算機(jī)實(shí)踐課教學(xué)，特別是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面都有很大投入，但是由于各種原因，比如學(xué)生人數(shù)多、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)任務(wù)繁重，而有些實(shí)驗(yàn)需要移除計(jì)算機(jī)還原卡等保護(hù)工具，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室維護(hù)起來(lái)困難。在實(shí)際的計(jì)算機(jī)實(shí)踐課教學(xué)過(guò)程中，造成了部分實(shí)驗(yàn)由于缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)境而無(wú)法按要求實(shí)現(xiàn)，這是影響教學(xué)質(zhì)量提高的一個(gè)瓶頸。因此創(chuàng)建可行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境就顯得尤其重要。仿真環(huán)境的構(gòu)建，即利用虛擬機(jī)技術(shù)就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)安裝虛擬機(jī)軟件，在原有的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備配置不變的前提下，構(gòu)建SkyEye軟件仿真平臺(tái)，虛擬計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，可以輕松地構(gòu)建虛擬的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。目前虛擬機(jī)技術(shù)在我校實(shí)驗(yàn)室中得到了推廣應(yīng)用，在“操作系統(tǒng)”和“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)過(guò)程中，使用虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)踐課的教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果，有助于教學(xué)質(zhì)量的提高。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了方便CAN總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，需要有可行的方法和合適工具對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效而快速的仿真和評(píng)估。本文研究的目的在于開(kāi)發(fā)一套基于SkyEye的CAN總線通信協(xié)議仿真工具，借助于SkeEye虛擬機(jī)的功能，并加入CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，用于CAN總線應(yīng)用的分析和評(píng)估。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方案是有效、可行的。在目前的計(jì)算機(jī)實(shí)踐課教學(xué)中，使用虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)踐課的教學(xué)，可以充分利用實(shí)驗(yàn)室的資源，取得良好的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

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