基于有色Petri网的CAN总线仿真与性能分析

宋小庆，任维彬，2，陈克伟，熊全谦

(1.装甲兵工程学院控制工程系，北京100072;2.65545部队，辽宁普兰店116200)

CAN总线属于总线式串行通信网络［1］，采用CSMA/CA机制处理通信过程中所产生的信息冲突。因此，信息传输的实时性与信息当时所拥有的优先地位相关，而这也直接影响到整个总线的传输性能。鉴于总线网络是一个强耦合、离散的信息系统，因此，直接通过解析法建模进行分析具有一定难度。而Petri网由于其形式化行为描述特征，而被广泛应用于总线通信系统中，如随机Petri网(Stochastic Petri Net，SPN)在航空综合电子系统中已经得到了运用［2］。目前，Petri网主要分为2类:随机Petri网和有色 Petri网(Colored Petri Net，CPN)。随机Petri网侧重随机过程的分析，不能对总线网络进行较为全面的分析;而有色Petri网可以对系统行为进行准确的描述，从而准确地建立总线性能仿真模型。本文采用有色Petri网，以CPN Tools为工具建立基于CAN总线竞争机制模型，并以连接了5个节点的某型战车总线网络为例，进行性能仿真与分析。

1 CPN与CPN Tools

1962年，德国的Carl Adam Petri在他的博士论文《用自动机通信》中首次使用网状结构模拟通信系统［2］，这种系统模型后来以Petri网命名。

CPN是在基本Petri网的基础上发展起来的一种高级Petri网［3］。CPN中的主要元素有:带颜色的标识、库所、变迁和弧。建模过程中，将综合电子系统状态、消息、数据和指令等信息描述为标识，信息的不同类型用不同颜色集加以区分;将这些信息的驻留或缓存区用库所来描述;报文发送接收、命令执行等事件用变迁来描述;弧则描述了信息的流向。

CPN Tools是丹麦Aarhus大学CPN小组对CPN仿真软件Design/CPN的再设计。它使用了新的、更快的CPN仿真器和更强的网络进行语法检查，并且可以使用CPN ML语言来定义规范和描述网络。

2 CAN总线网络的拓扑结构

图1为某型车辆的CAN总线拓扑结构［4］，该总线网络上共挂接了5个节点，其优先级按照其节点1到节点5依次递减。

图1 CAN总线拓扑结构

3 CAN总线网络消息传输过程分析

总线网络工作时，消息在总线上传输包括3个阶段:

1)通过总线发送节点进行发送;

2)根据节点优先级获取消息对总线占用权，实现消息在传输信道上的传输(该部分包括优先级仲裁以及传输延迟);

3)判定总线接收节点通过验收滤波，被相应总线节点判定接收。

CAN总线网络消息传输过程如图2所示。初始化代表一个动态的分配过程，将所有CAN帧根据其所具有的标志位ID，指派到具有优先级差别的5个CAN节点上;优先级仲裁过程代表依据CSMA/CA的总线仲裁原则，对同一时刻将要发送到总线上的CAN帧进行仲裁，将具有最高优先级的CAN帧取出，送到总线上进行发送;CAN BUS代表总线，同一时刻只能容纳一帧消息帧;滤波代表根据每一帧消息帧的目的标识位，进行发送到达指定CAN节点的过程;目的节点代表消息帧将要送达的指定节点。

图2 CAN总线网络消息传输过程

4 CAN总线各功能模块建模

4.1 初始化模块

初始化模块如图3所示。其中:变迁ComList代表接收从服务器端经底层接口传送过来的命令表，将其存放在库所List中;变迁Distri代表按照指定ID位将命令帧指派到各个节点的过程;库所Cache1，2，3代表各个节点缓存，存放属于各个节点的CAN帧。

图3 初始化模块

4.2 CAN帧发送模块

CAN帧发送模块如图4所示。其中:变迁Sort1代表将节点缓存中的CAN帧按照优先级顺序进行排序的过程;库所Tok1中存放节点使能令牌，当Tok1中存在使能令牌时，变迁Sort1被激活，可以完成排序并将排序后的CAN帧组成的表送入CAN节点Nod1中;变迁First1代表取出优先级最高的一帧送入发送缓冲区进行发送的过程;库所Waiting代表发送缓冲区。

图4 CAN帧发送模块

4.3 CAN帧接收模块

CAN帧接收模块如图5所示。其中:变迁TNod1代表将获得总线使用权的CAN帧发送到其目的节点Nod1中;变迁Return1代表将节点使能令牌归还给库所Tok1。

图5 CAN帧接收模块

4.4 优先级仲裁模块

优先级仲裁模块如图6所示。其中:变迁Filter1代表具有较高优先级的CAN帧发送过程;Filter2代表发送具有相对较低优先级的变迁;CacheA，B代表发送缓冲区;变迁Sending1，2代表向总线发送通过竞争获得总线使用权的CAN帧的过程。在2条并行的流程中，通过反库所Anti12结构的设置［5］，实现当变迁Filter1，2同时使能时，变迁Filter1具有使能令牌的优先使用权，而当Filter1具有总线使用权时，变迁Filter2无法获得使能令牌，从而失活［6－7］。变迁Sending1激发之后，将使能令牌归还，变迁Filter2使能。该过程仿真当同时有一个以上节点具有帧等待发送时，可以根据优先级实现具有较高优先级的帧优先发送，具有较低优先级的CAN帧让出总线使用权，等待高优先级发送完毕后继续向总线发送。

图6 优先级仲裁模块

4.5 滤波模块

滤波模块如图7所示。其中:库所CANBUS代表总线上有CAN帧即将向目的节点发送的状态;变迁TNod代表根据CAN帧的目的节点标识位，通过设置警戒函数，将标识位与目的节点不相符的帧过滤除去，将符合的CAN帧发送到目的节点的过程;库所Nod代表目的节点。

图7 滤波模块

5 模型实现

模型的运行过程主要通过CPN ML语言来实现。CPN ML是一种面向表达式的函数式语言［8］，是对标准ML的拓展，它可以直接用CPN的概念和ML语言的功能对系统进行模型的描述和控制，实现定量的仿真和性能分析。模型实现流程如图8所示。

图8 模型实现主要流程

在建成的模块化的基础上，依据抽象出来的总体模型，结合Petri网原理中标识与颜色集、标识的状态与库所、标识的动作与变迁的对应关系，可以将模型划分为3个基本层次:初始化层、优先级仲裁层和滤波层。各层主要功能如表1所示，基本层次如图9－11所示。

表1 层次功能表

图9 初始化层

图10 优先级仲裁层

图11 滤波层

6 性能仿真与分析

6.1 性能指标计算

CAN总线系统的性能指标主要包括总线的负载、总线的利用率和总线效率等。总线负载和总线效率计算公式如下:

总线负载=数据帧传输时间/CAN卡激活时间;

总线效率=有效数据部分传输时间/数据帧传输时间。

本文在使用CAN总线进行通信时采用的是数据帧。数据帧由7个不同的位域组成，分别为帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、ACK域和帧结束，其中，数据域的长度可以为0。数据帧结构如表2所示。

表2 数据帧结构

其中:帧起始以一个比特的显位出现;仲裁域由29位标识符、替代远程请求位、标识位和远程发送请求位组成;控制域包括4位的数据长度码、IDE显性位和保留位;数据域可以包括0～8个字节，位数为8n(0≤n≤8);CRC域取16位;ACK域包括应答间隙和应答界定符2位;帧结束由7个隐位组成的标志序列界定。

设总线负载为η，总线效率为θ，每位数传输时间为t'，CAN激活时间为t，则可得

6.2 仿真实验

在建立了CAN网络模型基础上，本文对CAN网络的网络实时性能指标进行了仿真分析。仿真分析时，网络上每个节点的具体信息如表3所示。

表3 CAN总线网络信息列表

仿真结果得出总线利用率与节点之间关系如表4所示。

表4 总线利用率与节点关系

6.3 定量分析

通过模型仿真得到如图12所示关系曲线，对指定的模型消息帧进行分析，在总线上传送的帧数不断增加的过程中，总线利用率不断提升。图中前3段折线反映总线利用率上升的速度在逐渐加快，这主要是由于每一个CAN帧所携带的数据长度变大。从表3的周期变化中可以看出:由于帧间空间变大，总线空闲时间相对变长，从而使得总线利用率增长速度有所减缓。

图12 总线利用率随帧数变化曲线

当在模型中发送表3中CAN帧的过程中，模型仿真可得其总线效率随时间变化关系，如图13所示(横坐标有缩放)。

图13 总线效率随时间变化曲线

由图13可见:影响总线效率的主要因素是数据的长度，并且和帧的周期密切相关。模型仿真的结果符合式(1)、(2)的CAN总线性能指标理论计算公式，验证了模型的正确性。

6.4 定性分析

从定性的角度，进一步分析基于有色Petri网的CAN总线模型的合理性。

1)从CAN总线的功能角度，模型实现了CAN总线的数据传输功能，反映了CAN总线自身的功能和特点。

2)从CAN总线的静态结构特性角度，模型实现了CAN总线的单级总线拓扑结构，反映了CAN总线的静态结构特性。

3)从CAN总线的动态行为特性角度，模型实现了CAN总线的多主竞争机制，模拟了CAN总线的动态运行，反映了CAN总线的动态行为特性，因而更具合理性。

7 结论

本文在CPN Tools环境下基于有色Petri网建立了CAN总线模型，并以某型车辆作为仿真实例，通过定性和定量分析，验证了模型的合理性和正确性。下一步将进行CAN总线算法研究以及对多级总线网络互联的建模与研究。

［1］饶运涛.现场总线原理与应用技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006:22.

［2］张健东，吴勇，高晓光.基于DSPN的综合航空总线系统的性能评价［J］.西北工业大学学报，2005，23(2):244 －248.

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