CAN現(xiàn)場總線通信控制協(xié)議的仿真及性能分析

　　3.2 性能分析

　　仿真設定CAN總線傳輸速率為200kbit/s,總的運行時間為T=2s,并假設每一幀報文的數(shù)據長度為100bit,可以得知，CAN總線滿負載時傳輸4000幀數(shù)據，表示為N=4000幀，即滿負載時傳輸?shù)臄?shù)據幀的總長度為400kbit,表示為S=400kbit.通過設定各節(jié)點的發(fā)送周期，來調整負載率的大小。

　　CAN總線仿真模型中，輸出參數(shù)含義分別為：u代表通道處于忙碌狀態(tài)的總時間；thout代表所有節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據幀的總長度；fz代表所有節(jié)點產生的所有數(shù)據幀的總長度；b1-b16分別代表第1-16個節(jié)點每次運行完成后成功向總線上發(fā)送的數(shù)據幀的個數(shù)；p1-p16分別代表第1-16節(jié)點每次請求發(fā)送的數(shù)據幀的個數(shù)。

　　所以，吞吐量的計算公式為：

　　平均信息時延的計算公式為：

　　式中i表示節(jié)點編號（I=1~16）。

　　通信沖突率的計算公式為：

　　網絡利用率的計算公式為：

　　網絡效率的計算公式為：

　　負載完成率的計算公式為：

　　式中i表示節(jié)點編號（1~16）。

　　經過運行仿真模型，得到系統(tǒng)在負載分別為16%、33%、50%、81.5%、100%、125%、150%、175%、200%、230%、250%、280%、310%時的一系列仿真結果。

　　依據公式（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。