田涌君， 蔡其瑾， 唐風(fēng)敏， 華一丁

（1.中汽研（常州） 汽車(chē)工程研究院有限公司， 江蘇 常州 213000；2.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司， 廣西 柳州 515005；3.中汽研（天津） 汽車(chē)工程研究院有限公司， 天津 300300）

CAN總線是當(dāng)今世界汽車(chē)領(lǐng)域使用最為廣泛的總線之一，以其高效、可靠、靈活的特點(diǎn)受到設(shè)計(jì)者的青睞。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的控制模塊被加入到總線系統(tǒng)中，這些模塊中包含了許多有著高實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，且在實(shí)際工作過(guò)程中，由于CAN總線自身的非破壞性逐步仲裁機(jī)制導(dǎo)致的調(diào)度問(wèn)題、仲裁問(wèn)題及阻塞問(wèn)題等都會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)下降。但是當(dāng)前還沒(méi)有人提出完善的總線網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)評(píng)價(jià)方法。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)CAN總線的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究。Tindell等人針對(duì)基于CAN總線的實(shí)時(shí)系統(tǒng)研究了不同工況下的最差情況響應(yīng)時(shí)間，即可調(diào)度性的問(wèn)題［1］。劉洪鵬等提出了關(guān)于負(fù)載率的算法及其優(yōu)化的設(shè)計(jì)［2］；龔暉等將負(fù)載率的分析與優(yōu)化策略在CANoe內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證［3］；馬卓等提出了鎖相環(huán)的降低抖動(dòng)技術(shù)［4］。以上研究均是針對(duì)某一具體指標(biāo)進(jìn)行的，隨著總線技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)單一指標(biāo)的評(píng)價(jià)方式顯然無(wú)法滿(mǎn)足行業(yè)需求，一種完善的評(píng)價(jià)方法是業(yè)內(nèi)急需的。

為此，本文以CAN總線傳輸過(guò)程中主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)為研究對(duì)象，在對(duì)其進(jìn)行建模分析的基礎(chǔ)上研究其在總線網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)中所起到的作用，并設(shè)計(jì)一套完整的網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)評(píng)價(jià)流程，最后選取某實(shí)車(chē)CAN總線在Symtavision軟件內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)所提出的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行示例說(shuō)明。

1 主要指標(biāo)

1.1 可調(diào)度性

評(píng)價(jià)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性首先要做的就是保證不丟幀，如果丟失了所需傳輸?shù)南ⅲ菍?shí)時(shí)性也就無(wú)從談起。而是否丟幀，所反映的就是消息的可調(diào)度性［5］。

以單調(diào)速率算法 （RM算法） 為例，當(dāng)系統(tǒng)的利用率低于69%時(shí)，任務(wù)模型中的任何任務(wù)集都是可以調(diào)度的。但是僅利用這一點(diǎn)對(duì)可調(diào)度性進(jìn)行判斷是不精確的。詳細(xì)分析如式（1） 所示：

式中：Uj——任務(wù)j的利用率，如式（2） 所示：

式中：Cj——任務(wù)j的最壞情況執(zhí)行時(shí)間；Tj——任務(wù)j的周期；Rj由式（3） 可得：

上述公式精確地對(duì)單調(diào)速率算法的實(shí)際工作情況進(jìn)行了分析，可以通過(guò)利用率有效地判斷出可調(diào)度性。

根據(jù)可調(diào)度性的定義，若系統(tǒng)可以將一個(gè)任務(wù)在其最終期限前完成調(diào)度，則稱(chēng)此任務(wù)是可調(diào)度的，這就是可調(diào)度性的另一種判斷方式：計(jì)算任務(wù)的最差情況響應(yīng)時(shí)間。

最差情況響應(yīng)時(shí)間能有效地計(jì)算出各消息可能發(fā)生的最大延時(shí)情況，從而衡量出該消息的可調(diào)度性。對(duì)最差情況響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，當(dāng)消息的最差情況響應(yīng)時(shí)間大于該消息傳輸?shù)闹芷跁r(shí)，可以判定為不可調(diào)度，這種情況是不可接受的，必須進(jìn)行優(yōu)化處理。

最差情況響應(yīng)時(shí)間分析如下：

式中：ri——給定任務(wù)i的最差情況響應(yīng)時(shí)間；Ci——任務(wù)i的最差情況執(zhí)行時(shí)間；Tj——任務(wù)i的周期；hp（i）——所有優(yōu)先級(jí)高于任務(wù)i的任務(wù)的集合。

式（4） 可通過(guò)形成遞歸關(guān)系來(lái)解：

式中：rni——ri的n次逼近。

在該式中，ri的遞歸關(guān)系是單調(diào)的，那么若r0i=0，則通過(guò)歸納法這一公式將有可能收斂為：

或：

在這種情況下，結(jié)果是無(wú)效的，表明任務(wù)i是不可調(diào)度的。

通過(guò)上述方式可以判斷出總線系統(tǒng)的可調(diào)度性，這也是網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)分析的第一步，只有可調(diào)度的系統(tǒng)才有資格進(jìn)行下一步的網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)評(píng)估。

1.2 抖動(dòng)

在報(bào)文實(shí)際傳輸過(guò)程中，由于仲裁、堵塞、控制器自身等原因，每個(gè)報(bào)文實(shí)際到達(dá)的時(shí)間都不可能與最初設(shè)計(jì)的時(shí)間相同，都會(huì)存在一定的差距，這種現(xiàn)象叫做抖動(dòng)。抖動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短與設(shè)計(jì)周期的比值被稱(chēng)為抖動(dòng)百分比，它可以近似地顯示出報(bào)文的延時(shí)情況。若某報(bào)文的抖動(dòng)百分比超過(guò)40%，則代表報(bào)文延時(shí)情況已經(jīng)較為嚴(yán)重，需要對(duì)該報(bào)文進(jìn)行具體分析。

1.3 負(fù)載率

一般來(lái)說(shuō)，負(fù)載率被定義為當(dāng)前系統(tǒng)正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸速率與系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的理論最大傳輸速率之比。負(fù)載率是一個(gè)在時(shí)間上被定義的概念，說(shuō)明在一定時(shí)間范圍內(nèi)，位資源的使用情況。負(fù)載率越高，代表在這一時(shí)間段內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文可以得到的網(wǎng)絡(luò)資源就會(huì)越少，因此就越有可能發(fā)生通信延時(shí)甚至嚴(yán)重情況下的丟幀。若總線系統(tǒng)的負(fù)載率為10%～20%時(shí)，基本不存在堵塞的情況，可以暢通無(wú)阻地進(jìn)行傳輸。若負(fù)載率為30%左右時(shí)，各節(jié)點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)輕微延時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低存在些許差異。但是當(dāng)負(fù)載率逐步增加至60%以上時(shí)，就已經(jīng)會(huì)開(kāi)始影響總線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，延時(shí)情況會(huì)變得比較嚴(yán)重。負(fù)載率繼續(xù)增加至80%以上時(shí)，通信情況可能會(huì)相當(dāng)糟糕，嚴(yán)重情況下可能造成丟幀、錯(cuò)誤幀等現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載率越低，越能保證實(shí)時(shí)性，但CAN總線的特性就決定了負(fù)載率過(guò)低無(wú)法滿(mǎn)足報(bào)文傳輸?shù)乃俾?，這是一個(gè)無(wú)法解決的問(wèn)題，只能在二者之間尋找一定的平衡。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)負(fù)載率在30%左右時(shí)，可以取得最好的兼顧效果。

1.4 Burst情況

Burst即連續(xù)發(fā)送，在實(shí)際應(yīng)用中，只需設(shè)定好起始地址與連續(xù)傳輸長(zhǎng)度，就可以方便有效地進(jìn)行連續(xù)傳輸。但是在CAN總線中，系統(tǒng)依靠報(bào)文優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行仲裁分配傳輸，連續(xù)傳輸會(huì)造成高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文不斷地被發(fā)送，比該報(bào)文優(yōu)先級(jí)低的報(bào)文就只能持續(xù)等待仲裁，這樣極容易造成總線傳輸?shù)亩氯⒀訒r(shí)，甚至丟幀問(wèn)題。

2 評(píng)價(jià)體系

本文依據(jù)以上研究的幾個(gè)重要指標(biāo)提出了一套完整的測(cè)試評(píng)價(jià)方法，具體流程如下。

1） 獲得完整的CAN總線報(bào)文后，首先需要對(duì)該總線上所有的消息進(jìn)行可調(diào)度性分析。若該總線采用靜態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度，則可優(yōu)先對(duì)該總線的負(fù)載率進(jìn)行測(cè)試，若負(fù)載率小于69%，則該總線上的所有報(bào)文均可調(diào)度。否則需對(duì)每個(gè)報(bào)文的最差情況響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析。若存在最差情況響應(yīng)時(shí)間大于該報(bào)文設(shè)計(jì)周期的報(bào)文，則證明該報(bào)文不可調(diào)度，該總線上會(huì)出現(xiàn)丟幀情況。因此該總線網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)不合格，必須重新進(jìn)行優(yōu)化。若不存在這樣的報(bào)文，則可以進(jìn)入下一步。

2） 若通過(guò)最差情況響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行可調(diào)度性判斷，則下一步還需要對(duì)負(fù)載率進(jìn)行分析。依據(jù)前文分析，當(dāng)總線系統(tǒng)的負(fù)載率處于30%～40%時(shí)，是較為理想的狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載率大于80%時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文延時(shí)會(huì)較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了實(shí)時(shí)性。此時(shí)總線必須接受優(yōu)化。若總線負(fù)載率大于40%小于80%，則應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，研究占用負(fù)載率大的控制器的工作情況。

3） 通過(guò)系統(tǒng)的可調(diào)度性與負(fù)載率測(cè)試后，需要對(duì)總線中各報(bào)文的抖動(dòng)及Burst情況進(jìn)行分析。將抖動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)與該報(bào)文設(shè)計(jì)周期之比稱(chēng)為抖動(dòng)百分比或相對(duì)延時(shí)，令抖動(dòng)百分比為x，并將各報(bào)文的抖動(dòng)情況分為3種：x<10%，10%40%。若存在大于40%的報(bào)文，則需另外詳細(xì)分析?？偩€內(nèi)的Burst情況主要需要對(duì)兩點(diǎn)進(jìn)行分析：總線連續(xù)發(fā)送的時(shí)長(zhǎng)與幀數(shù)?？偩€連續(xù)發(fā)送情況主要受控制器影響，若出現(xiàn)連續(xù)發(fā)送時(shí)間較長(zhǎng)或報(bào)文密集發(fā)送較為嚴(yán)重的情況，需要對(duì)該報(bào)文所在的控制器進(jìn)行重點(diǎn)分析。

4） 經(jīng)過(guò)上述測(cè)試步驟，該總線系統(tǒng)的可調(diào)度性、延時(shí)情況等指標(biāo)都已較為清晰明了，可以較好地幫助工程人員進(jìn)行針對(duì)性地優(yōu)化。

3 實(shí)例分析

將實(shí)車(chē)trace通過(guò)CANoe導(dǎo)出，將CANoe trace文件導(dǎo)入symtavision工具自動(dòng)建模，進(jìn)行Analyze Trace分析。

依據(jù)本文提出的評(píng)價(jià)方法，首先對(duì)系統(tǒng)的可調(diào)度性進(jìn)行分析，圖1為各報(bào)文的相對(duì)延時(shí)和最差情況響應(yīng)時(shí)間分析圖。

對(duì)該總線的最差情況響應(yīng)時(shí)間和抖動(dòng)時(shí)長(zhǎng)與設(shè)計(jì)周期之比（以下簡(jiǎn)稱(chēng)相對(duì)延時(shí)） 進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可知，該總線各報(bào)文相對(duì)延時(shí)均在40%以下，最差情況延時(shí)均在70%以下，各報(bào)文延時(shí)在可接受范圍內(nèi)，代表該總線上的各報(bào)文雖存在延時(shí)，但均可調(diào)度，因此可繼續(xù)進(jìn)行下一步評(píng)測(cè)。

圖1 各報(bào)文相對(duì)延時(shí)和最差情況響應(yīng)時(shí)間

隨后需要對(duì)負(fù)載率進(jìn)行評(píng)估，圖2為BDCAN總線各控制器的負(fù)載率分析圖。

圖2 BDCAN總線各控制器負(fù)載率圖

如圖2所示，該總線負(fù)載率為35%左右。其中，GW_BCM占主要比例，25%左右。其余控制器所在負(fù)載均在3.1%以下。根據(jù)上文分析，負(fù)載率在30%左右時(shí)，基本滿(mǎn)足高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的傳輸需求，但低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文還存在少許延時(shí)，可根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

Burst情況：該總線Burst分析圖如圖3所示。

圖3為該總線的報(bào)文發(fā)送情況甘特圖。由圖3可知，只有GW_BCM控制器發(fā)送的報(bào)文存在多幀報(bào)文連續(xù)發(fā)送的情況。對(duì)圖3進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該總線Burst數(shù)據(jù)情況如圖4所示。

據(jù)圖4可知，總線Burst最長(zhǎng)約為5.2ms，有20幀左右報(bào)文連續(xù)發(fā)送。這一現(xiàn)象代表存在連續(xù)傳輸?shù)默F(xiàn)象發(fā)生，且持續(xù)時(shí)間接近50%的設(shè)計(jì)周期，因此應(yīng)該對(duì)該任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。

綜上，依照本文提出的總線網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)評(píng)價(jià)體系，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)GW_BCM這一控制器進(jìn)行具體分析檢測(cè)，該控制器發(fā)送的任務(wù)存在占用高負(fù)載率、報(bào)文連續(xù)發(fā)送的情況，會(huì)嚴(yán)重限制后續(xù)總線的可擴(kuò)展性。對(duì)于負(fù)載率和可調(diào)度性來(lái)說(shuō)，該總線基本符合要求，但還有可優(yōu)化提升的空間。

圖3 報(bào)文Burst情況分析圖

圖4 Burst數(shù)據(jù)情況圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以總線網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)評(píng)估為研究對(duì)象，在多種網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)研究的基礎(chǔ)上提出對(duì)不同CAN總線網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)的通用評(píng)估方法。面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的總線網(wǎng)絡(luò)，此方法可以有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)并針對(duì)具體問(wèn)題給予解決措施。