CAN總線通信控制協(xié)議的仿真及性能分析

　　依據(jù)公式（1）-（6），我們分析了負載率從0.02到3.1的情況下，CAN總線通信系統(tǒng)中負載率的變化對網絡吞吐量、平均信息時延、通信沖突率、網絡利用率、網絡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總線通信控制協(xié)議決定的，即總線空閑時，任一節(jié)點都有發(fā)起通信的權力，當多個節(jié)點同時發(fā)送產生沖突時，采用非破壞性位仲裁機制，低優(yōu)先級節(jié)點停止發(fā)送，高優(yōu)先級節(jié)點不受影響繼續(xù)發(fā)送，從而可以避免總線沖突。

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

　　圖3 吞吐量與負載率的關系

　　圖4中，由于隨著負載率的增加，信道主要用來發(fā)送高優(yōu)先級的信息，而低優(yōu)先級的信息卻被長時間延遲甚至造成數(shù)據(jù)丟失，所以平均信息時延隨著負載率的增加幾乎呈線性增加。

　　圖4 平均信息時延與負載率的關系

　　圖5中，由于隨著負載率增加，吞吐量增加，即單位時間內需要處理的信息量增加，信息發(fā)生沖突的機會也增加。而且隨著負載率的增加，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系

　　圖6中，由于隨著負載率增加，吞吐量隨之增加，則單位時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，通道由“忙碌”到“空閑”狀態(tài)所用的幀間隔時間也增加，使得通道不可能連續(xù)不斷地傳輸信號，這樣隨著吞吐量增加并趨于飽和時，網絡利用率也隨之增加并趨于1,但不會達到1。

　　圖6 網絡利用率與負載率的關系

　　圖7中，由于隨著負載率的而增加，吞吐量增加，而通道處于“忙碌”狀態(tài)的總時間也在增加，并且在吞吐量達到飽和時，通道處于“忙碌”狀態(tài)的時間也趨于穩(wěn)定，所以，單位時間內通道成功傳送的信息與通道發(fā)送信息的時間比率幾乎不隨著負載率變化而變化，基本在一個恒值附近微小變化。

　　圖7 網絡效率與負載率的關系

　　圖8中，由于在負載率較低時，各優(yōu)先級的信息都可以競爭到總線權得以發(fā)送，所有節(jié)點成功向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)與請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)相等或相差很小，但是隨著負載率的增加，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(jié)點成功向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)遠小于請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)。所以，負載完成率隨著負載率的增加而減小，并且在負載較小時，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系

　　總之，以上分析結果驗證了CAN總線通信控制協(xié)議的特點。

　　4 結束語

　　運用MATLAB軟件中Stateflow工具箱來對CAN總線通信系統(tǒng)建模仿真切實可行，是現(xiàn)場總線協(xié)議分析與研究的又一途徑。仿真模型能夠完全描述協(xié)議的復雜邏輯關系，而且形象直觀貼近實際系統(tǒng)，易于理解，也便于修改調試。