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如何计算CAN总线的负载率?

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发表于 2024-11-11 08:25:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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! ^  S6 S+ ?  K
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( ~" n4 m% Y" q' `% s计算CAN总线负载率是汽车电子系统设计和调试的重要工作之一,可以帮助工程师判断总线的带宽利用率、避免总线拥堵以及识别是否有风险。
3 y) v1 S+ j' c& V: @
) l5 G$ m% [4 ]- g0 l3 u3 M

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9 p# R- z1 N9 M9 R' v  q+ j! D# X( c5 E9 @& [' Z& q
15 Y& U" _% y& k& R- Q* I2 {, L9 p; m
CAN总线负载率的定义
9 @5 h) c1 v0 E. p% P9 wCAN总线负载率(CAN Bus Load)是指在给定时间窗口内,CAN总线被有效使用的百分比,即实际传输的数据量相对于总带宽的占用比例。
. U# Q, M2 L% u1 n* t5 L$ ], `, K. d( C6 Q- @& O# Y2 [
负载率越高,意味着总线使用越密集,可能会导致延迟或数据丢失。
; H- U! w- M/ ?) C$ l# w2 b5 e2, X, z& N8 o+ k
基本公式
# l% v( _0 H; z负载率的基本公式可以用如下表达式来表示:% S3 n, h; R. r3 U1 B

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! i/ o& L0 L3 ^% U' Z; J实际计算时,我们通常关注单位时间内的负载率,因此在时间窗口TTT内的负载率可以表示为:7 Y$ T3 @1 o& z! L* X  v

& V) d0 ~5 q& Y' o

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4 O0 A* S7 j* R6 L& s: l- r4 u6 J/ c: O* {& w- [8 m
33 i5 E& V2 P9 v2 y, M. j  j
计算步骤
* T: Y- p4 |  l1 Q4 e: `为了解CAN总线的负载率,需要以下步骤:
. p  Q  k; Q% Q. d  }
, u$ a; q6 y' E4 a. m+ K* K(1)确定总线的波特率- ?+ g7 N$ Z( A5 ]5 h
波特率(Baud Rate)决定了CAN总线的最大传输速度,一般为500 kbps或1 Mbps。波特率定义了总线的总带宽,例如1 Mbps的CAN总线在1秒内的带宽是1,000,000位。" H6 I, \4 e' e
1 H( i, S( @9 ^3 Y" ]
(2)确定消息的传输量& ]9 Q9 W$ ^, q% I
在CAN总线上,消息的大小和内容会影响负载率,具体包括:8 `' f2 r6 Z6 @# o' l: z0 {6 o
  • 报文总长度:包括标识符(ID)、数据段、校验段、起始/结束标志位等。
  • 有效数据长度(DLC):CAN报文的数据段可包含0-8个字节,而CAN FD可扩展至64字节。通常情况下,CAN报文的总长度可以用比特数表示。# k8 B8 j7 U0 S9 N: l- {2 S
    ' L9 Y# z0 P! D0 v: }7 f/ \6 u
    例如,对于一个标准帧(11位ID,8字节数据)和扩展帧(29位ID,8字节数据),我们可以按如下比特数计算:
    : x2 {  M& g. I7 Y3 h4 {- Q, G
  • 标准帧长度:一般为~111比特。
  • 扩展帧长度:一般为~135比特。
    " o' s) y& R9 @5 n% s, P# K1 t

    : j+ b' ]1 S& a+ {! I0 B9 g1 w(3)计算每条消息的负载比特数7 K# a, R' k5 `
    计算公式为:9 i& q/ f" ^/ W1 m2 O

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    , e7 `2 j: p2 w6 c' O9 j" z+ P在实际情况中还要考虑位填充规则(Bit Stuffing):如果一个帧中连续出现了5个相同的比特(0或1),CAN协议会自动插入一个反向位以增强数据恢复能力,这会增加报文长度。- k* N3 x0 x8 @9 B7 F: i4 ^/ N
    4 x- Y, _- i  h
    (4)计算总的比特流量1 o6 ^8 g& G. s( o
    假设我们在单位时间TTT内收集了总共NNN个报文,每个报文的大小为Message Sizei,则总的比特流量为:
    3 w8 Z  U2 c! m% [

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    & q' C$ Q( V# S$ k: N( G/ v1 _7 X2 W8 J, b
    47 @) ~* n( i3 G
    实际案例中的应用
    6 B4 p3 U; t) p; t假设在1秒内,CAN总线传输了1000个标准帧,每个帧为111比特,则总的比特流量为:
    ) s  L% F7 u/ g- T/ ?

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    - }8 {7 \5 \; L如果CAN总线的波特率是500 kbps,理论带宽就是500,000比特,则负载率为:; `3 [% D$ z5 w: }% b

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    % y/ A% U5 J6 }' p+ t  i" B

    ! v7 ?3 K% E7 B, P( r& E5; S/ ~: b5 n  m4 ?4 A: Y. A
    高负载率的影响与优化+ |6 j8 Q3 ^: M
    通常认为负载率达到80%以上就属于高负载状态,这会增加报文延迟并可能引发数据丢失。; n5 r6 d) o) \9 {

    9 Y( R  Z  o, {$ D6 T2 u2 P% b9 P在设计系统时,推荐负载率保持在50%以下以保证数据传输的稳定性。! h/ `' K: B. j$ B* ]& |+ r2 h
    6 Q4 Q! W. o( v8 e+ E3 T& N# V/ [
    优化措施包括:) c2 w, e6 V5 @! [
  • 优化报文设计:减少数据传输的冗余。
  • 提高波特率:适合短距离的应用。
  • 使用CAN FD:CAN FD增加了数据传输的灵活性和速度,可传输更长的数据段。
      `0 d* m- C+ O; W- I& d

    5 K3 \: E3 a' e" t! g

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