CAN報(bào)文填充位長度仿真研究

孫博，張麗波

（1.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春，130012；2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車電子部，吉林長春，130011）

CAN報(bào)文填充位長度仿真研究

孫博1，張麗波2

（1.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春，130012；2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車電子部，吉林長春，130011）

本文建立了CAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文的報(bào)文填充位長度仿真模型，并通過該模型獲得了CAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文的填充位長度的分布律和數(shù)學(xué)期望。經(jīng)對(duì)比分析得知：當(dāng)報(bào)文長度相同時(shí)，CAN擴(kuò)展報(bào)文的填充位長度大于CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的填充位長度。該研究成果已成功應(yīng)用于多款車型的CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，用于預(yù)測(cè)各CAN網(wǎng)段的總線負(fù)載率，應(yīng)用結(jié)果表明該仿真模型偏差＜+/-0.5，仿真準(zhǔn)確度較高，有效地提高了CAN網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的工作效率。

CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文；CAN擴(kuò)展報(bào)文；填充位長度

0 引言

整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)是整車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的第一項(xiàng)工作。在完成整車網(wǎng)段劃分后，將分別估算各網(wǎng)段的總線負(fù)載率，當(dāng)總線負(fù)載率大于某閾值時(shí)，需要重新對(duì)網(wǎng)段進(jìn)行劃分以提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。如果總線負(fù)載率預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，將增大在項(xiàng)目開發(fā)后期變更整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目赡苄?。一旦整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，以此為基礎(chǔ)完成的所有后續(xù)工作，如CAN網(wǎng)絡(luò)通信矩陣、CAN通信協(xié)議、各控制器的通信軟件、整車網(wǎng)絡(luò)線束、CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試策略等，都將發(fā)生巨大變化[1]。

CAN網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載率通常是由以下公式計(jì)算得到的：CAN網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載率＝ (每幀CAN報(bào)文的位數(shù)× 所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的CAN報(bào)文數(shù)量之和)/(單位時(shí)間×總線通信速率)[2]。該計(jì)算公式中＜每幀CAN報(bào)文的位數(shù)＞為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)的理論值，沒有考慮到CAN報(bào)文數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)填充位傳輸所占用的總線負(fù)載，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間存在較大的偏差。為此，我們進(jìn)行了CAN報(bào)文填充位長度仿真研究，以提高總線負(fù)載率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 建立CAN報(bào)文填充位長度仿真模型

1.1 建立CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度仿真模型

根據(jù)SAE J1939-21[3]，CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文由7個(gè)位場(chǎng)組成，分別為幀起始（SOF）、仲裁場(chǎng)（arbitration field）、控制場(chǎng) (control field)、數(shù)據(jù)場(chǎng) (data field)、循環(huán)冗余校驗(yàn)場(chǎng)（CRC）、應(yīng)答場(chǎng)（ACK field）和幀結(jié)束（EOF）。CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的位場(chǎng)組成如圖1所示，其中幀起始（SOF）、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)和循環(huán)冗余校驗(yàn)序列需要按照位填充規(guī)則進(jìn)行傳送。

圖1 CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的位場(chǎng)組成

建立CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度仿真模型按如下6步進(jìn)行。

（1）根據(jù)CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的位場(chǎng)定義，建立幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)流，并存儲(chǔ)于字符數(shù)組變量M1[j]中，其程序主要內(nèi)容描述如下：

M1[0]=’0’; //SOF=0

M1[1]～M1[11]= random(2); //11位ID為隨機(jī)數(shù)

M1[12]=’0’; //CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的RTR＝0

M1[13]=’0’; //CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的IDE＝0M1[14]=’0’; //CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的r0＝0 M1[15]～M1[18]= DLC; //將報(bào)文長度轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流M1[19]～M1[18+len*8]= random(2); //數(shù)據(jù)場(chǎng)為隨機(jī)數(shù)其中報(bào)文長度與數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)化關(guān)系見表1。

表1 報(bào)文長度與數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)化關(guān)系

（2）計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)序列。

根據(jù)ISO 11898-1定義[4]， 幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)流右補(bǔ)15個(gè)0作為被除數(shù)，生成多項(xiàng)式X15+ X14+ X10+ X8+ X7+ X4+ X3+ 1作為除數(shù)，二進(jìn)制多項(xiàng)式除法的余數(shù)即為循環(huán)冗余校驗(yàn)序列。計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)序列的程序流程圖如圖2所示。其中M3為二進(jìn)制多項(xiàng)式除法的被除數(shù)和余數(shù)所共用 ,P為除數(shù)，D為商。

圖2 計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)序列的程序流程圖

（3）將循環(huán)冗余校驗(yàn)序列合并于字符數(shù)組變量M1，形成CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的需要按照位填充規(guī)則進(jìn)行傳送的原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)流M1。

（4）將M1中的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)流按CAN協(xié)議規(guī)定的填充規(guī)則進(jìn)行填充形成CAN報(bào)文填充位流并存儲(chǔ)于二維數(shù)據(jù)M2。

根據(jù)ISO 11898定義[4]，在按照位填充規(guī)則進(jìn)行傳送的原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)流中，CAN發(fā)送器只要檢測(cè)到發(fā)送位流中連續(xù)存在5個(gè)相同取值的位，就自動(dòng)在位流里插入一個(gè)補(bǔ)碼位。當(dāng)程序檢測(cè)到M2中存在字符串“00000”或“11111”時(shí)，將M2從當(dāng)前位開始均后移一位，并當(dāng)前位設(shè)置為填充位“1”或“0”。

例如：當(dāng)報(bào)文長度為1字節(jié)時(shí)，擬傳送的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)流為0001010000010001000001101001010001000000111101100（共49位），則在采用位填充后的位流為00010100000110001000001110 10010100010000010111101100（共52位），如圖3所示，圖中矩形框內(nèi)的位為填充位。

圖3 CAN報(bào)文位填充示例

（5）用M2的CAN報(bào)文填充位流長度減去M1的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)流長度求得CAN報(bào)文填充位長度LS。

（6）為提高仿真準(zhǔn)確性，針對(duì)每條報(bào)文進(jìn)行了500次仿真，并根據(jù)公式（1）計(jì)算500個(gè)仿真數(shù)據(jù) 的數(shù)學(xué)期望，并以此作為報(bào)文填充位長度的仿真結(jié)果。

式中：Ei——CAN報(bào)文填充位長度的數(shù)學(xué)期望。

Li——CAN報(bào)文填充位長度。

Pi——CAN報(bào)文填充位長度＝i的報(bào)文的分布律。

1.2 建立CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度仿真模型

根據(jù)SAE J1939-21[3]，CAN擴(kuò)展報(bào)文的位場(chǎng)組成如圖4所示，其中幀起始（SOF）、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)和循環(huán)冗余校驗(yàn)序列需要按照位填充規(guī)則進(jìn)行傳送。

圖4 CAN擴(kuò)展報(bào)文的位場(chǎng)組成

建立CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度仿真模型的方法與建立CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度仿真模型的方法類似。

2 CAN報(bào)文填充位長度仿真結(jié)果分析

2.1 CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度仿真結(jié)果分析

運(yùn)行CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度仿真模型，得到針對(duì)各報(bào)文長度的CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度分布律，詳見表2，如圖5所示。

表2 針對(duì)各報(bào)文長度的CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度分布律

1 38 29.6 25.4 18 10.6 7.6 3.2 2.6 0.6 2 30.8 31.6 29.6 25.4 19 13.2 8.2 8.2 5.6 3 10.4 16.2 21.8 22.8 23.6 22.2 19 12.2 11.2 4 1.8 5.4 11.8 15.6 22.4 20.2 22.4 21.8 17.6 5 0.8 2.8 8.8 13.2 16.6 20.4 17.6 17.6 6 1.2 3.8 6.2 11.412.416.2 19 7 0.4 0.2 1.6 5.2 8.6 10.6 12.4 8 0.4 0.6 2.4 3.4 6.2 7.4 9 0.4 0.4 1.6 2 5 10 0 0.2 0 2 2.2 11 0.2 0 0.4 0.4 1 12 0 0.2 0.2 13 0.2 0.2 14 0

圖5 針對(duì)各報(bào)文長度的CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度分布律

其中，報(bào)文長度＝8的CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度分布情況如圖6所示。從圖6可知：針對(duì)報(bào)文長度＝8的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文，填充位長度等于6的概率最大為19，即在500次仿真時(shí)有95次的填充位長度等于6。

圖6 報(bào)文長度＝8的CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填度位長度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

運(yùn)行CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位長度仿真模型，得到針對(duì)各報(bào)文長度的CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位的數(shù)學(xué)期望，詳見表3。

表3 CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文填充位的數(shù)學(xué)期望

由表3知：CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文與數(shù)據(jù)場(chǎng)長度成正比。當(dāng)數(shù)據(jù)場(chǎng)長度＝0時(shí)，CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的數(shù)學(xué)期望為1.38；當(dāng)數(shù)據(jù)場(chǎng)長度＝8時(shí)，CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的數(shù)學(xué)期望為5.47。

2.2 CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度仿真結(jié)果分析

運(yùn)行CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度仿真模型，得到針對(duì)各報(bào)文長度的CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度分布律，詳見表4，如圖7所示。

表4 針對(duì)各報(bào)文長度的CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度分布律

圖7 針對(duì)各報(bào)文長度的CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度分布律

其中，報(bào)文長度＝8的CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度分布情況如圖8所示。從圖8可知：針對(duì)報(bào)文長度＝8的擴(kuò)展報(bào)文，填充位長度等于5的概率最大為18.4，即在500次仿真時(shí)有92次的填充位長度等于5。

圖8 報(bào)文長度＝8的CAN擴(kuò)展報(bào)文填度位長度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

運(yùn)行CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度仿真模型，得到針對(duì)各報(bào)文長度的CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位的數(shù)學(xué)期望，詳見表5。

表5 CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位的數(shù)學(xué)期望

由表5知：CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度LS與數(shù)據(jù)場(chǎng)長度成正比。當(dāng)數(shù)據(jù)場(chǎng)長度＝0時(shí)，CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度LS的數(shù)學(xué)期望為2.08；當(dāng)數(shù)據(jù)場(chǎng)長度＝8時(shí)，CAN擴(kuò)展報(bào)文填充位長度LS的數(shù)學(xué)期望為6.21。

CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文的填充位長度的數(shù)學(xué)期望對(duì)比情況如圖9所示。從圖9可知：當(dāng)報(bào)文長度相同時(shí)，CAN擴(kuò)展報(bào)文的填充位長度大于CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的填充位長度。

3 結(jié)束語

在CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)階段，計(jì)算CAN總線負(fù)載率時(shí)通常沒有考慮填充位傳輸所占用的總線負(fù)載，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間存在較大的偏差。為降低因CAN網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載率預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)變更風(fēng)險(xiǎn)，以提高開發(fā)效率，我們開展了CAN報(bào)文填充位長度仿真研究。

本文建立了CAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文的報(bào)文填充位長度仿真模型，并通過該模型獲得了CAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文的填充位長度的分布律和數(shù)學(xué)期望，以預(yù)測(cè)各CAN報(bào)文占用的總線負(fù)載率，用作網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的依據(jù)。該研究成果已成功應(yīng)用于多款車輛的CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，CAN報(bào)文填充位長度仿真模型的應(yīng)用結(jié)果見表6，表中實(shí)測(cè)值為一段時(shí)間內(nèi)測(cè)試結(jié)果的平均值。從表6可知CAN報(bào)文填充位長度仿真模型偏差＜+/-0.5（最大為0.34），仿真準(zhǔn)確度較高。

圖9 CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文的填充位長度的數(shù)學(xué)期望對(duì)比

表6 CAN報(bào)文填充位長度仿真模型的應(yīng)用結(jié)果

[1]論文＜基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的商用車CAN網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載率預(yù)測(cè)研究＞（來自＜2016中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集＞）.

[2]專利文獻(xiàn)＜在控制局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)的方法＞（公開號(hào)：CN102111286A；公開日：2011-06-29）.

[3]SAE J1939-21 Recommended Practice for a Serial Control and Communications Vehicle Network：Data Link Layer.

[4]ISO 11898-1 Road vehicles— Controller area network(CAN)：Data link layer and physical signaling.

Simulation Research on the stuff bit length of CAN message

Sun Bo1，Zhang Libo2
（1.School of computer science and technology Jilin University,ChangChun Jilin,130012; 2.Automotive Electronics Department, China FAW Co.Ltd R&D Center,ChangChun Jilin,130011）

A simulation model of the stuff bit length of the CAN standard message and the extended message has been established in the paper, and the distribution law and mathematical expectation of the CAN message stuff bit length is obtainedbased on the model. The comparative analysis shows that the stuff bit length of the CAN extended message is greater than that of the CAN standard message when the message length is the same. The research results have been successfully applied to a variety of vehicle CAN network design to predict the bus load of each CAN message, and application results show that the simulation model deviation is less than +/-0.5, the simulation accuracy is high, and the work efficiency of CAN network is improved effectively.

CAN standard message; CAN extended message; the stuff bit length.