劉明芹,付東翔,王亞剛

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

基于OPNET的CAN總線實(shí)時(shí)性的仿真與分析

劉明芹,付東翔,王亞剛

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

控制器局域網(wǎng)(CAN)的建模與仿真不僅能對(duì)CAN總線性能進(jìn)行評(píng)估,而且能優(yōu)化CAN總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。在研究分析CAN總線通信控制協(xié)議的基礎(chǔ)上,采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層次化建模方法,建立CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)模型。通過該仿真模型,分析了CAN總線網(wǎng)絡(luò)中CAN節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)、傳輸速率、幀信息量以及填充位等因素對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的影響,從而為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論參考。

控制器局域網(wǎng) OPNET 層次化建模 實(shí)時(shí)性

0 引 言

CAN(Control Area Network)即控制器局域網(wǎng),是一種高性能、高可靠性、易開發(fā)和低成本的現(xiàn)場總線,是80年代初BOSCH公司為了解決現(xiàn)代中總舵的控制與測試儀器之間數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議[1]。CAN總線采用帶優(yōu)先級(jí)載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)的通信機(jī)制,具有通信速率高,工作可靠,使用靈活和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、航海、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域[2]。

通過對(duì)復(fù)雜的通信系統(tǒng)進(jìn)行有效的、逼真的建模仿真,才能對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合分析與評(píng)估,從而提出更好更優(yōu)的解決方案。針對(duì)Petri網(wǎng)而設(shè)計(jì)的仿真工具OPMSE、VPNT有著仿真能力有限,計(jì)算力不足的缺點(diǎn),而OPNET通過自帶的Proto-C能完成各種復(fù)雜協(xié)議算法、排隊(duì)策略等,能較好模擬CAN通信協(xié)議運(yùn)行機(jī)制。目前,針對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真的研究,已經(jīng)取得一定的進(jìn)展,但是缺少基于網(wǎng)絡(luò)層次化建模的CAN模型以及對(duì)整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真與性能分析[3]。文中采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層次化模型,通過該仿真模型,主要分析了CAN總線網(wǎng)絡(luò)中CAN節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)、傳輸速率、幀信息量以及填充位等因素對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性這一重要網(wǎng)絡(luò)性能的影響,從而為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1 CAN總線協(xié)議

1.1 CAN總線簡介

CAN總線協(xié)議遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)模型,但從體系結(jié)構(gòu)上只定義了ISO/OSI模型的最低兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層是通過專門用于特定工業(yè)領(lǐng)域的各種協(xié)議或CAN用戶專用方案與物理媒體相連。在CAN技術(shù)規(guī)范中,數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路層(LLC)子層和媒體訪問控制(MAC)子層,其中LLC子層涉及到報(bào)文過濾、超載通知以及恢復(fù)管理,而MAC子層是CAN協(xié)議的核心,MAC子層負(fù)責(zé)報(bào)文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測和標(biāo)定,與CAN通信性能密切相關(guān)[4]。

CAN的總線訪問控制采用了CSMA/CA的方法,這種方案采用主動(dòng)避免碰撞而非被動(dòng)偵測的的方式來解決碰撞問題。其通信流程如圖1所示,可簡要描述為:總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,而不分主從,節(jié)點(diǎn)在請(qǐng)求發(fā)送信息時(shí),首先偵聽總線狀態(tài),若總線空閑(或等待至總線空閑)則開始發(fā)送。當(dāng)多個(gè)節(jié)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(jī)制:借助ID標(biāo)識(shí)符及逐位仲裁規(guī)則,低優(yōu)先級(jí)主動(dòng)停止發(fā)送,高優(yōu)先級(jí)不受影響繼續(xù)發(fā)送,從而避免總線沖突,避免信息和時(shí)間發(fā)生損失。在發(fā)送過程中,發(fā)送節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)送信息進(jìn)行校驗(yàn),完成發(fā)送后釋放總線[5]。

圖1 CAN總線MAC子層協(xié)議通信流程Fig.1 Communication mechanism of MAC layer protocol

1.2 CAN實(shí)時(shí)性分析

通信的實(shí)時(shí)性是由通信的延遲時(shí)間來衡量的,即從報(bào)文產(chǎn)生時(shí)算起到將報(bào)文中的有效數(shù)據(jù)提供給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所耗費(fèi)的時(shí)間。CAN總線的信息延時(shí)主要由四部分組成:幀延時(shí)、CAN控制器延時(shí)、軟件延時(shí)、媒體訪問延時(shí)。文中就主要從信息幀和媒體訪問的角度進(jìn)行了分析。

2 基于OPNET的建模

OPNET建模常采用層次化和模塊化的方式,將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為不同的層次結(jié)構(gòu),每層完成一定的功能,一層內(nèi)又由多個(gè)模塊組成,每個(gè)模塊完成更小的任務(wù)。OPNET所采用的是三層建模機(jī)制:最上層為網(wǎng)絡(luò)域,反映了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)；其次為節(jié)點(diǎn)域,由相應(yīng)的協(xié)議模塊構(gòu)成,反映了設(shè)備的特性；最底層為進(jìn)程域,以狀態(tài)機(jī)的形式來描述協(xié)議,反映了協(xié)議的具體功能是如何實(shí)現(xiàn)的[6]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)模型通常由子網(wǎng)、通信節(jié)點(diǎn)和通信鏈路三個(gè)主要模塊組成。子網(wǎng)(Subnetworks)在節(jié)點(diǎn)中級(jí)別最高,可以封裝其它網(wǎng)絡(luò)層對(duì)象。通信節(jié)點(diǎn)(Communication Node)對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,也包括一些業(yè)務(wù)配置模塊。通信鏈路(Communication Links)對(duì)應(yīng)于現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的鏈接鏈路,也包括邏輯鏈路[7]。CAN總線在OPNET中建立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,這5個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立,代表實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中CAN節(jié)點(diǎn)。每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)通過雙向的支線(tap)接入總線(bus),可以設(shè)定的參數(shù)有波特率、信息幀格式以及傳輸錯(cuò)誤模型等。

圖2 CAN網(wǎng)絡(luò)在OPNET中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Network layer model of CAN bus

2.2 節(jié)點(diǎn)模型

采用OPNET層次化的建模方法,如圖3所示,可將節(jié)點(diǎn)模型可分為應(yīng)用層(Application Layer)、數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)和物理層(Physical Layer)三層。其中,RX和TX分別為總線型收發(fā)信機(jī),組成物理層,主要負(fù)責(zé)從CAN總線上接收數(shù)據(jù)給MAC和把MAC上數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN總線。CAN_ LLC模塊與MAC模塊組成數(shù)據(jù)鏈路層,主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的封裝/解封、媒體訪問控制以及錯(cuò)誤檢測處理。消息源(SRC)和接收器(SINK)模塊組成最簡單的應(yīng)用層,SRC與SINK分別表示應(yīng)用層中數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與接收。

圖3 CAN節(jié)點(diǎn)模型Fig.3 Node model of CAN bus

2.3 節(jié)點(diǎn)模型

節(jié)點(diǎn)域建模的方法是基于節(jié)點(diǎn)模型,每個(gè)模型實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)行為的某一功能,多個(gè)節(jié)點(diǎn)模型的集合構(gòu)成功能完整的節(jié)點(diǎn)。很多節(jié)點(diǎn)采用類似于OSI或TCP/IP參考模型,按協(xié)議層次分為不同的模型一個(gè)隊(duì)列或處理器模塊模擬每一層協(xié)議。模型間用包流線或統(tǒng)計(jì)線相連。

MAC子層的通信處理進(jìn)程模塊主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收以及錯(cuò)誤處理。基于CAN總線中MAC通信機(jī)制及OPNET仿真方式,MAC模塊的仿真?？烊鐖D4所示。其中,數(shù)據(jù)發(fā)送過程由idle、FRM_START、DEF_WAIT、TX_START、ARBITRATION、TX、ACK、FRM_END組成；數(shù)據(jù)接收過程由idle、RX_WAIT、RX、ACK組成。這兩個(gè)過程以及中間錯(cuò)誤處理模塊一起構(gòu)成整個(gè)的MAC子層通信模塊。

圖4 MAC子層模型Fig.4 Model of MAC sub-layer

3 OPNET仿真及結(jié)果分析

利用已建立的CAN總線網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行仿真,通過對(duì)仿真結(jié)果的分析來研究CAN總線網(wǎng)絡(luò)中CAN節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)、傳輸速率、幀信息量以及填充位等因素對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的影響。

3.1 仿真環(huán)境配置

CAN總線網(wǎng)絡(luò)中共有5個(gè)CAN節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)0優(yōu)先級(jí)最高,其余依次降低。網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可設(shè)置為250 kbit/s、500 kbit/s、1 Mbit/s。CAN網(wǎng)絡(luò)中所有發(fā)送、接收的幀信息皆定義為數(shù)據(jù)幀,所以單幀信息量的大小主要取決于數(shù)據(jù)域中包含的字節(jié)量,其中字節(jié)量取值范圍為1～8。數(shù)據(jù)幀發(fā)送周期單位為ms,其詳細(xì)信息如表1所示。

表1 OPNET中CAN總線網(wǎng)絡(luò)配置Table 1 Network configuration of CAN bus in OPNET

3.2 仿真試驗(yàn)1

仿真試驗(yàn)1用于檢驗(yàn)幀信息的優(yōu)先級(jí)對(duì)于CAN總線實(shí)時(shí)性的影響。該試驗(yàn)將波特率設(shè)為500 kbit/s,數(shù)據(jù)域長度設(shè)為4個(gè)字節(jié),發(fā)送周期都設(shè)置為5 ms,使其同時(shí)發(fā)送以產(chǎn)生總線競爭。取Node0、Node2、Node4的幀信息ETE延時(shí)觀察分析,如圖5所示。

圖5 優(yōu)先級(jí)與ETE延時(shí)的關(guān)系Fig.5 Relationship between priority and ETE delay

分析可得:在CAN總線傳輸速率、傳輸幀信息量相同的情況下,CAN總線中幀信息的優(yōu)先級(jí)越高,ETE時(shí)延越小,而優(yōu)先級(jí)越低,ETE延時(shí)就越大。因此,在實(shí)際CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,可設(shè)置較高的幀信息優(yōu)先級(jí)來提高幀信息實(shí)時(shí)性。

3.3 仿真試驗(yàn)2

該仿真試驗(yàn)將檢驗(yàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度對(duì)其實(shí)時(shí)性的影響。在自定義的鏈路模型中將傳輸速率分別設(shè)置為250 kbit/s,500 kbit/s及1 Mbit/s,分別進(jìn)行仿真,幀信息ETE延時(shí)如圖6所示。

圖6 傳輸速率與ETE延時(shí)的關(guān)系Fig.6 Relationship between transmission rate and ETE delay

分析可得:在1 Mbit/s的傳輸速率下,幀信息ETE延時(shí)分別為500 kbit/s條件下和250 kbit/s條件下的54%和28%,說明在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率越高,ETE時(shí)延越小,實(shí)時(shí)性越高。因此,在CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,在適當(dāng)情況下,可通過提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率來減小時(shí)延,提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。

3.4 仿真試驗(yàn)3

該仿真試驗(yàn)將檢驗(yàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)中幀信息量大小對(duì)其實(shí)時(shí)性的影響。該試驗(yàn)將波特率設(shè)為500 kbit/s,各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)域長度和發(fā)送周期如表1中試驗(yàn)3所示。圖7、圖8分別為字節(jié)量、擴(kuò)展幀及填充位與ETE延時(shí)的關(guān)系。

圖7 字節(jié)量與ETE延時(shí)的關(guān)系Fig.7 Relationship between byte and ETE delay

圖8 擴(kuò)展幀及填充位與ETE延時(shí)的關(guān)系Fig.8 Relationship between extended frame, bit stuffing and ETE delay

在圖7中,節(jié)點(diǎn)Node0、Node1、Node2、Node4發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)域中字節(jié)量分別是1、2、4、8。結(jié)果表明,隨著字節(jié)量的增多,幀信息ETE延時(shí)也不斷增加,并且低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)ETE延時(shí)增加的更多。圖8中,4條線分別是含有8個(gè)字節(jié)量無填充位的標(biāo)準(zhǔn)幀、有填充位標(biāo)準(zhǔn)幀、無填充位擴(kuò)展幀、有填充位擴(kuò)展幀。其結(jié)果表明,擴(kuò)展幀信息ETE延時(shí)多于標(biāo)準(zhǔn)幀的,有填充位的ETE延時(shí)多于無填充位的。這與文獻(xiàn)[8]中關(guān)于擴(kuò)展幀及填充位對(duì)于CAN總線實(shí)時(shí)性分析相符合,進(jìn)一步也說明結(jié)論的正確性。因此,在實(shí)際CAN總線應(yīng)用中,盡量使用標(biāo)準(zhǔn)幀及減小數(shù)據(jù)域中字節(jié)量可以適當(dāng)提高CAN總線的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié) 語

文中采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,通過層次化和模塊化的方式,對(duì)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模與仿真,研究分析了優(yōu)先級(jí)、傳輸速率、幀信息量以及填充位等因素對(duì)于CAN總線實(shí)時(shí)性的影響,真是反映了CAN總線的特點(diǎn),對(duì)于CAN總線實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考與指導(dǎo),而且這種層次化與模塊化的仿真方式也同樣可以應(yīng)用于其它對(duì)象的研究與分析。

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LIU Ming-qin(1988-),male,graduate student,majoring in embedded system and fieldbus.

付東翔(1971—),男,副教授,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng),現(xiàn)場總線；

FU Dong-xiang(1971-),male,associate professor,mainly engaged in embedded system and detection technology.

王亞剛(1967—),男,教授,主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)過程控制、無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)研究。

WANG Ya-gang(1967-),male,professor,principally working at advanced process control and wireless sensor network.

Simulation and Analysis of CAN Bus Real-time Performance based on OPNET

LIU Ming-qin,FU Dong-xiang,WANG Ya-gang
(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science&Technology,Shanghai200093,China)

Modeling and simulation of a controller area network(CAN)could evaluate and optimize CAN bus network design.Based on research and analysis of CAN communication protocol,CAN communication network model is developed with OPNET network simulation tool and by layered modeling method.This paper mainly analyzes the influence of node priority,transmission rate,information frame and bit stuffing on the real-time performance of CAN bus,thus to provide a theoretical reference for the design and optimization of CAN based network system.

CAN bus；OPNET；layered modeling；real-time performance

TP915

A

1002-0802(2014)03-0281-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.03.010

劉明芹(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、現(xiàn)場總線；