CAN總線通信控制協議的仿真及性能分析

　　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總線通信控制協議決定的，即總線空閑時，任一節點都有發起通信的權力，當多個節點同時發送產生沖突時，采用非破壞性位仲裁機制，低優先級節點停止發送，高優先級節點不受影響繼續發送，從而可以避免總線沖突。

　　圖3中，由于當負載率較低時，低優先級的信息可以競爭到總線權得以發送，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，只有高優先級的信息得以發送，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，信道主要用來發送高優先級的信息，而低優先級的信息卻被長時間延遲甚至造成數據丟失，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”狀態所用的幀間隔時間也增加，使得通道不可能連續不斷地傳輸信號，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”狀態的時間也趨于穩定，所以，單位時間內通道成功傳送的信息與通道發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，各優先級的信息都可以競爭到總線權得以發送，所有節點成功向總線上發送的數據幀的個數與請求發送的數據幀的個數相等或相差很小，但是隨著負載率的增加，低優先級信息得不到發送，只有高優先級信息才得以發送，導致所有節點成功向總線上發送的數據幀的個數遠小于請求發送的數據幀的個數。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總線通信系統建模仿真切實可行，是現場總線協議分析與研究的又一途徑。仿真模型能夠完全描述協議的復雜邏輯關系，而且形象直觀貼近實際系統，易于理解，也便于修改調試。