冷令，吴伟斌

CAN总线网络建模及性能分析

冷令，吴伟斌

针对传统解析法难以有效评估CAN总线网络性能指标的难题，提出了一种基于以确定与随机Petri网（Deterministic and Stochastic Petri Net， DSPN）的CAN总线网络建模与性能分析方法。采用DSPN建立了CAN总线网络的性能分析模型，有效地模拟了CAN总线网络的动态行为特性。在TimeNET 4.0软件环境下实现CAN总线网络DSPN模型的基础上，仿真得到了CAN总线网络的吞吐量和平均延迟的变化曲线，验证了所提方法的正确性和有效性。

CAN总线网络；消息帧；确定与随机Petri网；性能指标

0　引言

CAN总线网络是一个强耦合、离散的复杂系统，传统解析法（如排队理论等）无法准确模拟CAN总线网络的动态行为特性，不能有效地评估CAN总线网络的性能指标［1］。因此，如何有效地模拟CAN总线网络的动态行为特性，并评估其性能指标已经成为一个紧要的难题。

Petri网是一种有力的离散事件系统建模与分析工具，已经应用到了软件设计、工作流分析、故障诊断等诸多领域［2］。确定与随机Petri网［2］（Deterministic and Stochastic Petri Net，DSPN）是一种高级Petri网建模工具，特别适合模拟总线网络的动态行为特性［3-6］。为此，本文以总线网络为研究对象，采用确定与随机Petri网建立CAN总线网络的DSPN模型，分析其性能指标。

1　CAN总线网络通信机制分析

CAN总线网络拓扑结构，如图1所示：

图1　CAN总线网络拓扑结构

在CAN总线网络拓扑结构中，各个节点之间不分主从，而是对等关系，即当总线网络处于空闲状态时，各个节点都可以主动地向总线网络上发送消息帧。CAN总线网络的通信过程大致如下：在一个总线网络中，处于待发送消息帧状态的节点监听总线网络的闲忙状态。当总线网络处于空闲状态时，待发送消息帧节点发送相应的消息帧。当有两个及以上个节点发送消息帧时，会发生冲突，此时按照CAN总线网络采用的基于静态优先级的非破坏性位仲裁机制，根据消息帧格式中仲裁域的标识符进行逐位仲裁，优先级高的消息帧将获得总线使用权，不受任何影响地（时间上无任何损耗）持续发送相应的消息帧。而低优先级的消息帧由于仲裁失败，退出总线网络，相应的节点继续监听总线网络忙闲状态，待总线网络再一次空闲，则继续发送。

2　CAN总线网络建模

2.1DSPN建模元素用法

定义1［2］：一个DSPN可以由一个8元组构成，DSPN=（P，T， I， O， H， M0， W，λ），其中：

（1）P=｛P1， P2，…，Pm｝为位置的有穷集合；

（2）T=｛T1， T2，…，Tn｝为变迁的有穷集合；

（3）I为输入有向弧的有穷集合；

（4）O为输出有向弧的有穷集合；

（5）H为禁止弧的有穷集合；

（6）M0为初始标识的有穷集合；

（7）W为弧权函数的有穷集合；

（8）λ=｛λ1， λ2，…，λm｝表示变迁的平均实施速率集合。

在CAN总线网络建模过程中，DSPN建模元素的符号表示和用法，如表1所示：

表1　DSPN建模元素符号表示与用法

2.2基于DSPN的CAN总线网络建模

基于确定与随机Petri网建模框架，构建了CAN总线网络的DSPN模型，如图2所示。模型中包含14个位置，9个变迁，其中：3个瞬时变迁，3个指数时间变迁和3个确定时间变迁，主要的位置和变迁及其含义如表2和3所示。假设CAN总线网络中有N个优先级大小依次为1到N的消息帧集合，以消息帧为研究对象，又已知CAN总线网络中高优先级的消息帧具有优先发送权，则将该消息帧集合等效为三个节点：优先级大于k的消息帧集合S1=｛F1， F2，，Fk-1｝等效为一个节点；优先级为k的集合S2=｛Fk｝等效为一个节点；优先级小于k的消息帧集合S3=｛Fk+1，Fk+2，，FN｝等效为一个节点。CAN总线网络的DSPN模型正是按照等效节点的思路构建的。

表2　主要位置及其含义

表3　主要变迁及其含义

Ta3 优先级小于?k的消息帧获得总线使用权Tt1 优先级大于k的消息帧在总线网络上传输Tt2 消息帧Fk在总线网络上传输Tt3 优先级小于k的消息帧在总线网络上传输

模型按照CAN总线网络消息帧的通信过程分为3个子过程：消息帧的产生子过程、消息帧的仲裁子过程和消息帧的传输子过程。

（1）消息帧的产生子过程：位置Pei（i=1，2，3）分别用于控制3个等效节点中消息帧的循环产生；位置Pqi（i=1，2，3）分别用于存储3个等效节点中消息帧的个数；指数时间变迁Tei（i=1，2，3）分别模拟3个等效节点中消息帧的到达过程，设定3个指数时间变迁实施时间服从参数为λi（i=1，2，3）（Frame/s）的负指数分布；禁止弧上权值k-1，1和N-k分别用于限制3个等效节点中消息帧的处理能力上界。

（2）消息帧的仲裁子过程：位置Ppi（i=1，2，3）分别表示在3个等效节点中已经产生的消息帧；瞬时变迁Tai（i=1，2，3）分别表示在3个等效节点中的消息帧获得总线使用权，由于CAN总线网络采用非破坏性位仲裁机制，因此消息帧之间仲裁不占用额外时间，因此使用瞬时变迁加以模拟；位置Pa1表示在相应等效节点中已经产生的优先级大于k的消息帧集合，引出禁止弧分别到瞬时变迁Ta2和Ta3，用以保证优先级大于k的消息帧优先获得总线使用权；位置Pa2表示在相应等效节点中已经产生的消息帧Fk，引出禁止弧到瞬时变迁Ta3，用以保证消息帧Fk优先获得总线使用权。如果CAN总线网络上已经有低优先级的消息帧正在传输，那么高优先级的消息帧只能等待低优先级的消息帧传输完毕，才能发送。因此，模型从位置Pt3引出禁止弧分别到瞬时变迁Ta1和Ta2，从位置Pt2引出禁止弧到瞬时变迁Ta1，用以禁止高优先级消息帧的抢占。

（3）消息帧的传输子过程：位置Pti（i=1，2，3）分别表示在3个等效节点中待传输的消息帧；确定时间变迁Tti（i=1，2，3）表示消息帧的传输时间，CAN总线网络在应用中大多选择标准帧格式，即每个消息帧有130bits，通常通信速率选择125b/s，250kb/s和500b/s 3种，本文模型选择通信速率为250kb/s，则消息帧的传输时间为0.00052s，设定3个确定时间变迁的实施时间为0.00052s。

3　模型仿真及性能分析

3.1仿真环境及性能指标

本文以TimeNET 4.0［7］为仿真平台，建立了CAN总线网络的DSPN模型，分析相关性能指标。在仿真软件中设置参数如下：

置信度区间为95%；

最大相对误差为5%；

消息帧的传输时间为0.00052s。

设E｛#Pname｝表示位置Pname在稳态状态时的平均标记数，根据Little公式，定义CAN总线网络的吞吐量和消息帧的平均延迟为公式（1）、（2）：

3.2性能分析

在TimeNET 4.0软件环境下进行模型仿真得到CAN总线网络的系统吞吐量和3个等效节点消息帧的吞吐量及平均延迟如图3和图4所示：

图3　CAN总线网络的吞吐量

图4　CAN总线网络的平均延迟

当0≤λ≤1000时，系统的吞吐量和各个等效节点消息帧的吞吐量不断增加，平均延迟时间变化不是太大。当1000≤λ≤2000时，系统的吞吐量和等效节点1和2的消息帧的吞吐量继续不断增加，而等效节点3的吞吐量开始不断减少，这是由于低优先级的消息帧在总线使用权的竞争中失败，因此等效节点消息帧平均延迟时间在临界点开始急剧增大，最后严重阻塞，此外，系统的吞吐量在λ=2000达到极大值。当2000≤λ≤3000时，系统的吞吐量保持在极大值附近，等效节点1的消息帧的吞吐量继续增大，平均延迟时间逐步减少，而由于优先级低，等效节点2和3的消息帧的吞吐量则不断减少，等效节点2的消息帧的平均延迟时间在临界点开始急剧增大，最后严重阻塞。由图3和4依次可以在各个区间段分析系统性能指标的变化情况，不难看出，所建模型有效地模拟了CAN总线网络的动态行为特性，保证了高优先级消息帧的优先发送，模型仿真分析得到了CAN总线网络性能指标的变化曲线，可以为CAN总线网络分析与设计提供有益参考。

4　总结

本文以CAN总线网络为研究对象，提出一种基于DSPN的CAN总线网络建模与性能分析方法。将CAN总线网络中不同优先级的消息帧集合等效为三类节点，建立了CAN总线网络的DSPN模型。在此基础上，利用TimeNET 4.0仿真工具实现了CAN总线网络的DSPN模型，仿真得到了CAN总线网络的性能指标的变化曲线，验证了本文方法和模型的有效性。下一步可以将模型和特定的应用领域和研究对象结合，进行系统性能指标优化设计等方面的研究。

［1］ 铙运涛，邹继军，王进宏，等. 现场总线CAN原理与应用技术（第2版） ［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007：13-46.

［2］ 林闯. 随机Petri网和系统性能评价［M］. 北京：清华大学出版社， 2005：10-35.

［3］ 韩江洪， 唐璐， 王跃飞， 等. 基于DSPN的CAN/LIN网络建模及性能分析［J］. 合肥工业大学学报， 2010，33（3）：350-353.

［4］ 宋小庆，任维彬，陈克伟，等. 基于有色Petri网的CAN总线仿真与性能分析 ［J］.装甲兵工程学院学报，2011，25（1）：74-78.

［5］ 张春熹， 杨玉生， 文怀涛. IEEE-1394b总线等时传输性能分析［J］. 北京航空航天大学学报， 2011，36（11）：1281-1285.

［6］ 贾民力，赵学民. 基于WFPN的1553B总线网络故障诊断研究［J］. 计算机测量与控制. 2013（08）

［7］ 孟玲玲，孙常栋，韩宝如. 基于最小二乘法和独立分量分析的间谐波检测算法［J］. 电力系统保护与控制. 2012（11）

［8］ Robert I.Davis.Controller area network（CAN） schedulability analysis：refuted，revisited and revised［J］.Real-Time Systems.2007，35：239-272.

［9］ DAVIS I. R，NICOLAS N.Controller Area Network（CAN） Schedulability Analysis for Messages with Arbitrary Deadlines in FIFO and Work-conserving Queues. 2012 9th ［C］IEEE International Workshop on Factory Communication Systems （WFCS） . 2012

［10］ Kudret Demirli，Sujikumar Vijayakumar. Fuzzy logic based assignable cause diagnosis using control chart patterns［J］. Information Sciences . 2010 （17）

Modeling and Performance Analysis of CAN Bus Network

Leng Ling1， Wu Weibin2
（1.Zhongshan Polytechnic Institute， Zhongshan528400， China；2.College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou510642， China）

Aiming at the problem that it is difficult to evaluate the performance index of CAN bus network with traditional analytical method， and a new modeling and performance analysis method of CAN bus network with deterministic and stochastic petri net（DSPN）. The performance analysis model of CAN bus network which can describe the dynamic behavior of CAN bus network is constructed. Based on realizing the DSPN model of CAN bus network in TimeNET 4.0 software environment， change curve of the throughput and the average delay-time are obtained by simulation， and The correctness and effectiveness of the proposed method are verified.

CAN Bus Network； Message Frame； Deterministic and Stochastic Petri Net； Performance Index

TP393

B

1007-757X（2016）06-008-03

2015.11.02）

“十二五”农村领域国家科技计划项目（2014BAD16B0103）；2015年度国家星火计划（2015GA780063）；广东省省级科技计划项目（2014A070713032）

冷 令（1980-），男，沈阳人，中山职业技术学院，硕士，研究方向：计算机网络技术，中山，528400

吴伟斌（1978-），男，中山人，华南农业大学，工程学院，博士，教授，硕士生导师，中国农业工程学会高级会员（E041200601S），研究方向：农业工程、机电一体化和信息技术应用研究。广州，510642。