CAN總線的可靠性評(píng)估

CAN總線的可靠性評(píng)估(黑龍江科技學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系，哈爾濱150027)摘要：本文針對(duì)采用智能節(jié)點(diǎn)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用基于最可能故障路徑法建立了該結(jié)構(gòu)的可靠模型。通過計(jì)算可以看到，CAN總線平均無故障工作時(shí)間MTF隨著最大傳輸時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)失效的時(shí)間n增加而降低，無效率U隨著n的變化呈線性增加，n越大，可靠性越低。因此，從CAN總線的可靠性考慮，智能節(jié)點(diǎn)的層次數(shù)越少越好。關(guān)鍵詞：CAN無效率可靠性智能節(jié)點(diǎn)TheReliableAssessmentofCANBus(ComputerandInformationEngineeringDept.,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,haerbin100027)Abstract:BasedonthemostimpossiblefaultpathmethodthepaperproposestocreateareliablemodeltothenetworkstructureofCANBuswiththeintelligentnode.Bycomputing,wecanseethattheaveragenon-faultworkingtimeMTFofCANBusdeclineswiththeenhancementofthesystemlapsedtimeninthemaximumtransmissiontime.Withthemovementofn,thenon-efficiencyUincreaseslinearly.Thatistosay,thelargerofn,thelowerofreliability.Therefore,consideringthereliabilityofCANBus,thelessofintelligentnodelayer,thebetterofreliability.Keywords:CANNon-efficiencyReliabilityIntelligentnodeCAN總線作為礦井監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部分，它的安全性、可靠性直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。因此，本文對(duì)CAN總線的可靠性進(jìn)行評(píng)估，提出更加合理的總線結(jié)構(gòu)。1、礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)ThegeneralmonitoringsystemofmineCAN總線結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中A、B、C、D都是總線上的節(jié)點(diǎn)⑷】5］。MCU(MicroprogrammedControlUnit)是微程序控制器(單片機(jī))。一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)由兩個(gè)CAN接口和一個(gè)單片機(jī)組成。單片機(jī)使用80C51，CAN接口用Intel的8X196。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)最需解決的是ID轉(zhuǎn)換的問題。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送幀時(shí)，A首先得發(fā)送給第一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的外轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)K,這樣幀中的ID高8位不能是節(jié)點(diǎn)B的接收碼寄存器的值，而應(yīng)該是第一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)主線上的CAN模塊K的接收碼寄存器的值。圖2CAN總線樹型結(jié)構(gòu)Fig2CANfield-bustreeframe2?基于最可能故障路徑法的CAN總線可靠模型⑴對(duì)于一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，分析可靠性的一些參數(shù)，如故障率、維修率等，是很

難精確測(cè)量出來的。在許多情況下，一些網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障路徑的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它路徑，采用

最可能故障路徑法分析網(wǎng)絡(luò)的可靠性，將大大簡(jiǎn)化計(jì)算過程。因此，本文采用最可能發(fā)生故

障路徑法，以平均無故障工作時(shí)間MTF和無效率U為參數(shù)，對(duì)CAN總線可靠性進(jìn)行分析。我們定義如下參數(shù)：n：智能節(jié)站點(diǎn)的層次數(shù)［6；］工：任何一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)和總線到達(dá)上位機(jī)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為最大傳輸時(shí)間；九：智能節(jié)點(diǎn)故障率，單位為fhf?:故障數(shù)，h：小時(shí)）；n件,：總線故障率，單位為f/h；九：系統(tǒng)元件綜合故障率，指信號(hào)傳輸過程中所經(jīng)過的所有元件（總線和智能節(jié)點(diǎn)）的綜合故障率，其值與九、九有關(guān)，1彳為系統(tǒng)元件綜合故障時(shí)間；nf/九卩：智能節(jié)點(diǎn)的修復(fù)率，單位為r/h（r：修復(fù)數(shù)）；n卩：總線修復(fù)率，單位為r/h；l卩：元件綜合修復(fù)率，1；為元件的故障修復(fù)時(shí)間；Wi：第i個(gè)智能節(jié)點(diǎn)在最大傳輸時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)；nWi:第i段總線在最大傳輸時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)；fp6J:第i個(gè)智能節(jié)點(diǎn)故障事件發(fā)生的概率；np6J:第i段總線故障時(shí)間發(fā)生的概率；fMTF：指無故障工作時(shí)間的數(shù)學(xué)期望值；E□：最大傳輸時(shí)間的期望值；D：最大傳輸時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)失效的時(shí)間；E[d!:最大傳輸時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)失效時(shí)間的期望值;p:最大傳輸時(shí)間內(nèi)總線故障的概率；U：無效率；假設(shè)網(wǎng)絡(luò)元件有很高的可靠性（礦井下對(duì)元件的要求非常高，和地面上的要求不同），那么MAX（九,九）MIN（卩,卩）（1）nlnl用M表示第i個(gè)最可能發(fā)生故障的元件，P（M）為第i個(gè)最可能發(fā)生故障元件的概率,ii故E（D）=YP（M）*E[D|M]（2）i式中e[D|M」表示為故障元件Mi上預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)失效時(shí)間。從圖2中的結(jié)構(gòu)中我們看到，由于第一個(gè)元件的故障率九與-、-有關(guān)，故九具體表示為:九=n6+九）+X（3）fnf總線和智能節(jié)點(diǎn)均存在是第一個(gè)發(fā)生故障元件的可能性，因此元件的修復(fù)時(shí)間可表示為:丄二P（M1）丄+P（M1）丄二G+：）S丄+匕-卩f卩n卩X卩fn對(duì)于CAN總線單一的連接結(jié)構(gòu)，我們可以認(rèn)為(5)E[D(5)由于U二EEd，E上]~1+1可得(6)(6)由于CAN總線失效時(shí)間的期望值與總線和智能節(jié)點(diǎn)有關(guān)，并結(jié)合式（3）、（4）和（6）可得'(1)九'(1)九九、\n+1)—f+n—n卩卩I卩+九'fn丿—?(n+1)佇+n亠(7)fn九成立，又因?yàn)镸in（卩,卩）<^<Max（卩,卩），所以（4）可簡(jiǎn)化為丄=1。fnfn再結(jié)合E再結(jié)合E[r]11沁+可得:8）?/1、n(,九)+九8）fn本結(jié)構(gòu)中，-個(gè)元件故障引起總線故障概率為1，去P=1，則由MTF.甲可得:MTF=志1、+九MTF=志1、+九）+九9)圖3樹形結(jié)構(gòu)MTF圖圖4樹形結(jié)構(gòu)無效率圖Fig3TreeframeMTFFig4TreeframeIFig3TreeframeMTF分別去取3組和。第一組為4X10-fh、3X10-6f/h；第二組6X10-6fh、4X10-fh；第三組8X10fh、5X10-fh、而卩和九’的值均為1r/h；由公式（6）和（8）可獲得圖3和圖4nf所示的CAN總線系統(tǒng)的可靠性。從圖3和4所知，CAN總線MTF隨著n增加而降低，U隨著n的變化呈線性增加，因此n越大，可靠性越低。所以從CAN總線的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能考慮，智能節(jié)點(diǎn)⑷的層次數(shù)越少越好。3.總結(jié)通過基于最可能故障路徑法的CAN總線可靠模型的分析，我們看到，增加智能節(jié)點(diǎn)可以擴(kuò)大CAN總線的覆蓋面積，但隨著智能節(jié)點(diǎn)層數(shù)的增多，CAN總線的可靠性降低了。尤其是礦井監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)CAN總線的可靠性要求非常高，因此，建議CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的層數(shù)盡量減少，以提高整個(gè)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性。參考文獻(xiàn)：⑴江光杰李德毅，通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性評(píng)估，通信學(xué)報(bào)，vol.l8,No.8,1997.8,pp:85-89HuangHaifeng,SunXiaohan,etal.,”AnOpticalFiberIndustrialNetworkwithhighAvailability”,Proceedingofthe3rdWorldCongressonIntelligentControlandAutomation,2000,pp:3649-3652.成繼勛孟祥忠，煤礦用現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的研究，煤炭學(xué)報(bào)，Vol.26,No.6,2001.12,PP:657-659周鳳余，魯守銀.CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，1999,15(6):9~10⑸郭繼坤蔣家正礦井下CAN總線節(jié)點(diǎn)地址的研究[J]2004,14(2):20?23[6]KaiserJandLiva