CAN总线的可靠性评估

CAN总线的可靠性评估

（黑龙江科技学院计算机与信息工程系，哈尔滨 150027）

摘要：本文针对采用智能节点的CAN总线网络结构，用基于最可能故障路径法建立了该结构的可靠模型。通过计算可以看到，CAN总线平均无故障工作时间MTF随着最大传输时间内系统失效的时间n增加而降低，无效率U随着n的变化呈线性增加， n越大，可靠性越低。因此，从CAN总线的可靠性考虑，智能节点的层次数越少越好。

关键词： CAN 无效率 可靠性 智能节点

The Reliable Assessment of CAN Bus

(Computer and Information Engineering Dept.,Heilongjiang Institute of Science and Technology,haerbin 100027)

Abstract: Based on the most impossible fault path method the paper proposes to create a reliable model to the network structure of CAN Bus with the intelligent node. By computing, we can see that the average non-fault working time MTF of CAN Bus declines with the enhancement of the system lapsed time n in the maximum transmission time. With the movement of n, the non-efficiency U increases linearly. That is to say, the larger of n, the lower of reliability. Therefore, considering the reliability of CAN Bus, the less of intelligent node layer, the better of reliability.

Keywords: CAN Non-efficiency Reliability Intelligent node

CAN总线作为矿井监控系统重要组成部分，它的安全性、可靠性直接影响整个网络系统的性能。因此，本文对CAN总线的可靠性进行评估，提出更加合理的总线结构。

1、矿井综合监控系统

ERP 路由器 主井 路由器 副井 路由器 分站 CAN总线 光纤环网 监控节点 监控节点 智能节点 监控节点

图1 矿井综合监控系统

The general monitoring system of mine

CAN总线结构及节点结构如图2所示，图中A、B、C、D都是总线上的节点[4][5][6]。MCU(Microprogrammed Control Unit)是微程序控制器（单片机）。一个转发节点由两个CAN接口和一个单片机组成。单片机使用80C51，CAN接口用Intel的8X196。转发节点最需解决的是ID转换的问题。当节点A向节点B发送帧时，A首先得发送给第一个转发节点的外

转发节点K，这样帧中的ID高8位不能是节点B的接收码寄存器的值，而应该是第一个转发节点主线上的CAN模块K的接收码寄存器的值。

管理节点 管理节点

Ｃ Ｆ

其它节点 监控节点 其它节点 监控节点 Ｄ CAN J MCU １ CAN Ｋ 管理节点 CAN Ｌ MCU ２ CAN Ｍ 监控节点 I B A 图2 CAN总线树型结构

Fig2 CAN field-bus tree frame

2．基于最可能故障路径法的CAN总线可靠模型[1]

对于一个拓扑结构较复杂的网络，分析可靠性的一些参数，如故障率、维修率等，是很难精确测量出来的。在许多情况下，一些网络发生故障路径的概率远远大于其它路径，采用最可能故障路径法分析网络的可靠性，将大大简化计算过程。因此，本文采用最可能发生故障路径法，以平均无故障工作时间MTF和无效率U为参数，对CAN总线可靠性进行分析。

我们定义如下参数：

n： 智能节站点的层次数[6]；

?：任何一个监控节点发出的信号经过节点和总线到达上位机时所经历的时间，称为最大传输时间；

?n：智能节点故障率，单位为f/h(f:：故障数，h：小时)；

?f：总线故障率，单位为f/h；

?：系统元件综合故障率，指信号传输过程中所经过的所有元件（总线和智能节点）的

综合故障率，其值与?n、?f有关，1?为系统元件综合故障时间；

?n：智能节点的修复率，单位为r/h(r：修复数)；

?l：总线修复率，单位为r/h；

?：元件综合修复率，1为元件的故障修复时间；

?Wni：第i个智能节点在最大传输时间内的故障数；

Wfi：第i段总线在最大传输时间内的故障数；

P?Wni?：第i个智能节点故障事件发生的概率； P?Wfi?：第i段总线故障时间发生的概率；

MTF：指无故障工作时间的数学期望值；

E???：最大传输时间的期望值；

D ：最大传输时间内系统失效的时间；

E?D?：最大传输时间内系统失效时间的期望值；

P：最大传输时间内总线故障的概率；

U：无效率；

假设网络元件有很高的可靠性(矿井下对元件的要求非常高，和地面上的要求不同)，那么

MAX??n,?l??MIN??n,?l? （1）

用Mi表示第i个最可能发生故障的元件，P?Mi?为第i个最可能发生故障元件的概率，故

E?D???P?Mi??E??DMi?? （2）

i式中E??DMi??表示为故障元件Mi上预期的网络失效时间。

从图2中的结构中我们看到，由于第一个元件的故障率?与?n、?f有关，故?具体表示为：

??n??f??n???f （3）

总线和智能节点均存在是第一个发生故障元件的可能性，因此元件的修复时间可表示

为：

1??P?M1f?1?f1?P?Mn?1?n??n?1??f?1?f?n?n1??n (4)

对于CAN总线单一的连接结构，我们可以认为

E?D??1 (5)

?由于U?E?D?E???，E????1??1?可得

1U???1?1 (6)

?由于CAN总线失效时间的期望值与总线和智能节点有关，并结合式（3）、（4）和（6）可得

??f?f????U???n?1??nn???n?1??nn (7)

??f?n??f?n?????由于???成立，又因为Min(?f,?n)???Max?f,?n，所以（4）可简化为

??1??1。

再结合E????1??1?可得：

E????1n??f,?n???f?1?1n??f,?n???f （8）

本结构中，一个元件故障引起总线故障概率为1，去P=1，则由MTF?E???P可得：

MTF?

1n??f??n???f （9）

图3树形结构MTF图 图4树形结构无效率图 Fig 3Tree frame MTF Fig 4 Tree frame Inefficient 分别去取3组和。第一组为4×10-6f/h、3×10-6f/h；第二组6×10-6f/h、4×10-6f/h；第三组8×10-6f/h、5×10-6f/h、而?n和?f的值均为1r/h；由公式（6）和（8）可获得图3和图4所示的CAN总线系统的可靠性。

从图3和4所知，CAN总线MTF随着n增加而降低，U随着n的变化呈线性增加，因此n越大，可靠性越低。所以从CAN总线的整体结构设计的性能考虑，智能节点[4]的层次数越少越好。

3.总结

通过基于最可能故障路径法的CAN总线可靠模型的分析，我们看到，增加智能节点可以扩大CAN总线的覆盖面积，但随着智能节点层数的增多，CAN总线的可靠性降低了。尤其是矿井监控系统对CAN总线的可靠性要求非常高，因此，建议CAN总线智能节点的层数尽量减少，以提高整个矿井安全监控系统的安全可靠性。 参考文献：

[1]江光杰 李德毅，通信网络的可靠性评估，通信学报，vol.18,No.8,1997.8,pp:85-89

[2]Huang Haifeng, Sun Xiaohan ,et al.,”An Optical Fiber Industrial Network with high Availability”, Proceeding of the 3rd World Congress on Intelligent Control and Automation ,2000,pp:3649-3652.

[3] 成继勋 孟祥忠，煤矿用现场总线标准的研究，煤炭学报，Vol.26,No.6,2001.12,PP:657-659 [4] 周凤余，鲁守银. CAN总线系统智能节点设计与实现[J]. 微计算机信息，1999 ,15（6）:9~10

[5]郭继坤 蒋家正 矿井下CAN总线节点地址的研究[J] 2004,14（2）:20~23

[6] Kaiser J and Livani M. Achieving fault-tolerant ordered broadcasts in CAN . in proc.of the 3rd European dependable computing conference, Prague, Czech republic, September 1999,pp.351~363 哈尔滨市公关项目：2005AA1CG167-3