什么是CAN總線負載率？CAN總線負載率最大支持多少？

0、前言

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近期小編發(fā)表了一些關(guān)于CAN總線的文章，（點擊查看文章匯總），有粉絲在后臺留言問：能否寫一些關(guān)于CAN總線負載率的文章？大家都知道，我們是很寵愛自己的粉絲的，特此奉上本篇文章。

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1、什么是CAN總線的負載率？

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一般業(yè)內(nèi)對負載率的定義為：實際數(shù)據(jù)傳輸速率和理論上能達到的數(shù)據(jù)傳輸速率的比值。

可類比景區(qū)的負載率進行理解：每個景區(qū)都有一個負荷上限，比如10000人，如果此時景區(qū)內(nèi)只有1000人，那么這時的景區(qū)負載率是10%。如下圖1和圖2分別展示了景區(qū)高負載率和低負載率的情況。

景區(qū)負載率是一個在空間上定義的概念，它說明了在空間上資源的被使用情況，而總線負載率則不然，其是在時間上定義的一個概念，說明了在時間上資源被使用的情況。

因為傳輸速率一般是按秒來計算，數(shù)據(jù)傳輸速率既為每秒鐘傳輸了多少個BIT，負載率也默認為在一秒的時間范圍內(nèi)位資源的使用情況。理論上波特率為500K的總線上每秒鐘能夠傳輸500000個BIT，如果在某一秒中總線上只傳輸了100000個BIT，則總線負載率為20%。

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2、CAN總線負載率最大支持多少？

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在行業(yè)內(nèi)一般要求負載率不大于30%。

如果按照空間上負載率的概念做簡單類比，CAN總線上一般要求負載率不大于30%似乎不能被理解，畢竟物盡其用這個觀念是被大家廣為接受的。要深入系統(tǒng)的理解為什么30%成為目前業(yè)內(nèi)普遍遵守的負載率高壓線，就不得的不引入CAN理論中另外幾個重要的概念：ID仲裁、閑時發(fā)送和最大反應(yīng)時間。

CAN總線本質(zhì)上是一種串口通訊，靠在時間線上對每一位的電壓值進行調(diào)制來搭載不同的信號。因為各節(jié)點共用總線介質(zhì)，對總線的使用權(quán)界定就至關(guān)重要。

先說結(jié)論：只有在總線空閑時，發(fā)送節(jié)點才能向總線上發(fā)送幀起始及后續(xù)幀ID，只有在幀ID贏得仲裁時，發(fā)送節(jié)點擁有總線控制權(quán)進而向總線發(fā)送報文剩余部分，在仲裁中失敗的節(jié)點讓出總線控制權(quán)等待下次總線空閑時繼續(xù)嘗試發(fā)送。

我們可以看到如果某一個節(jié)點需要發(fā)送一幀報文，它需要同時滿足兩個條件

1、總線是空閑的，即目前沒有任何節(jié)點在發(fā)送報文，在總線上表示為節(jié)點監(jiān)測到11個連續(xù)的隱性位；

2、所需發(fā)送的報文贏得ID仲裁，即報文優(yōu)先級較高。

一個報文在試圖發(fā)送時，必須滿足上述兩個條件才能完成發(fā)送。這里的問題就是：如果一個優(yōu)先級相對較低的節(jié)點向外發(fā)報文時，會因為不斷地在仲裁中失敗而導(dǎo)致發(fā)送延遲。如果延遲過大會引起通訊失敗。

負載率越高，代表需要發(fā)送的數(shù)據(jù)越多，相對來說低優(yōu)先級節(jié)點發(fā)生通訊延遲的概率越大。

實際上30%的數(shù)據(jù)也只是一個經(jīng)驗數(shù)值，歷史很悠久的一個經(jīng)驗數(shù)值。從本質(zhì)上來看，限制負載率最終是要保證相對低優(yōu)先級節(jié)點的通訊實時性，如果能通過網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點優(yōu)化等手段滿足每個節(jié)點的最大響應(yīng)時間滿足要求，負載率只是一個無關(guān)緊要的參數(shù)。

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3：負載率計算

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想要了解負載率的計算，需先清楚CAN總線的幀格式。

圖3：CAN標準幀格式

圖4：CAN擴展幀格式

圖5：幀間隔

假設(shè)

Ui：各個信息幀占用總線百分比

L：為報文的總長度

C：為報文的總線占用時間? ? ??

N：為填充的位數(shù)

t：為毛速率 ( 亦稱波特率 )下的位時間

則有：

L = N ?+ 8d + g + 13

C = ?L * t

Ui = C / T

然而總線負載率是各個信息幀占用總線百分比之和。

U = U1 + U2 + U3 + .....

注：g 為CAN報文中控制位的總位數(shù) ( 標準幀 g =34 , 擴展幀 g = 54 )g的取值是只取位填充部分除去數(shù)據(jù)段。

負載率計算例子：

網(wǎng)絡(luò)負載率是 1s 內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總線傳輸數(shù)據(jù)所占帶寬的百分率。以上圖網(wǎng)絡(luò)矩陣表為例，假設(shè)總線速度為500Kbps，網(wǎng)絡(luò)中有多幀信號，把每個信號幀所占的負載率算出來，相加即得到總的網(wǎng)絡(luò)負載率。FBCM_1/FBCM_2這兩幀的所占的負載率算法如下：?????

負載率1 = (1000ms / 20ms)? * 111 / 500000 = 0.0111 = 1.11%

負載率2 = (1000ms / 10ms)? * 111 / 500000 = 0.0222 = 2.22%

4：負載率自動計算工具

根據(jù)以上的負載率計算原理，可以輕松整理出如下的表格，輸入CAN總線的相關(guān)參數(shù)：波特率、ID個數(shù)、幀間隔、幀類型等，可以自動出總線負載率。

當然：本文的重點是講解CAN總線負載率的原理及如何進行負載率計算；真實情況下不需要自動手動計算，可以使用CAN分析儀等工具可以輕松的讀取到CAN總線負載率。

編輯：黃飛

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