CAN 總線仿真環境的構建及在教學中的應用 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘 要： 首先對 CAN 總線通訊協議進行分析，然后對嵌入式硬件仿真環境 SkyEye 的結構進行詳細的研究，利用SkyEye 構建了 CAN 總線通訊仿真環境。為了評估所設計的CAN 仿真節點的性能，對 CAN 節點進行了仿真實驗。仿真實驗表明，我們所設計的 CAN 節點不僅能正確實現節點間的數據通信，還能達到較高的 CAN 網絡通信速率。最后闡述了在計算機實踐課教學中的應用。 關鍵 詞： CAN 總線； SkyEye； 仿真； 計算機實踐課教學 TP311 文獻標志碼： A 1006-8228（ 2014） 06-44-03 0 引言 由于在汽車工業的快速發展過程中，需要安裝在汽車上的電子設備不繼增加，因此點對點連接這些汽車電子設備的專用電子線路迅速膨脹，連接起來更加復雜和繁瑣。為進一步提高系統的可靠性和故障診斷能力，將連接線路進行簡化，使數據資源在各電控單元之間進行共享更加方便，汽車網絡總線技術就是有效解決這個問題的方法 1-2。 在車載網絡通信中， 由于 CAN 總線具有布線簡單、典型的總線型結構、能夠有效地節約布線和維護成本、性能穩定可靠、實時性與抗干擾能力強、傳輸的距離遠等一系列優點，因此在現代工業控制中應用廣泛。由于 CAN 總線通信網絡的設計有很多參數需要設置，而 CAN 總線工作性能直接受到這些參數設定的影響，但是在沒有輔助工具幫助的情況下，參數的有效設定只能憑汽車工程師的經驗和不斷地嘗試摸索。因此，需要有合適的工具和可行的方法對 CAN 總線網絡進行有效的仿真和評估，從而提高汽車工程師設計 CAN 總線網絡以及在評估 CAN 總線網絡性能方面的效率 4。 1 CAN 總線協議分析 為了能實現對 CAN 總線網絡的仿真，非常有必要對 CAN總線通訊協議進行深入研究。須建立起任意兩個或多個 CAN設備之間的兼容性，這是 CAN 總線通訊協議定義的目的。 CAN 總線具有以下特性 5： 報文的優先權； 保證延遲時間； 設置靈活； 系統內數據的一致性（ System Wide Data Consistency）； 多主機（對等）； 錯誤檢測和錯誤標定； 當總線處于空閑時，能夠自動將破壞的報文重新傳輸； 能夠將網絡節點的永久性錯誤和暫時性錯誤區分開，并且可以將 CAN 的錯誤節點自動關閉。 CAN 的 ISO/OSI 參考模型的分層結構如圖 1 所示 6。 從其參考模型的分層結構可以看出， CAN 通訊協議的結構劃分為兩層：數據鏈路層（ Data Link Layer）與物理層（ Physical Layer）。在 CAN 中，為了解決不同通信節點之間進行消息傳輸時的電氣屬性，物理層為所有通信節點共享使用。 2 嵌入式硬件仿真環境 SkyEye 的結構 利用仿真軟件來對嵌入式系統的各種硬件進行模擬，開發人員不需要利用開發板，直接在仿真環境中運行嵌入式系統，實現嵌入式軟件的開發、調試、運行，能夠大大提高開發速度并降低開發成本。 SkyEye 是一個開源軟件項目，中文名字為 “ 天目 ”7 ，能夠在通用的 Windows 操作系統和Linux 操作平臺上對目前主流的嵌入式開發板及外部設備進行軟件仿真，實現一個可擴展的硬件模擬框架，使系統軟件能夠在仿真平臺上運行。 SkyEye 軟件的核心在于目標模擬模塊，操作系統與系統軟件在 SkyEye 仿真環境中運行時可以使人根本意識不到是在一個計算機的虛擬系統上運行。 SkyEye目前在教學、科研等眾多領域都得到了廣泛應用。 目前 SkyEye 的最新版本已經完全和原先的GDB/ARMulator 分離，并對原先的 GDB/ARMulator 進行了全面的擴充和改變 8?？傮w上分為四個模塊倉庫： 體系結構模塊倉庫（ Architecture Module Repository）； 外設模塊倉庫（ Device Module Repository）； 接口模塊倉庫（ Interface Module Repository）； 功能模塊倉庫（ Function Module Repository）。 SkyEye 仿真環境結構如圖 2 所示 9。 3 軟件仿真平臺的構建和實現 為了實現對 CAN 總線通訊協議進行仿真，我們需要在不具備硬件環境的條件下來構建軟件仿真平臺。通過這個軟件仿真平臺，能夠一目了然地觀察到 CAN 總線的數據正常發送、接收、處理和總線的仲裁，以及錯誤節點的故障界定等運行過程。 SkyEye 仿真平臺還可以運行自定義的 CAN 總線應用層協議 10。 構建軟件仿真實驗平臺的主要步驟為：第一步，在電腦的操作系統里安裝虛擬計算機軟件 VMware Workstation；第二步，打開虛擬計算機軟件 VMware Workstation，將紅帽子 Ylmf Linux Y1.5 系統直接安裝在虛擬環境中；第三步，打開 Linux 操作系統，在 Linux 環境中將 SkyEye 仿真軟件進行安裝。程序采用 Microsoft VC 實現，采用的實驗環境為Dell Inspiron 15R-5537 筆記本， 2.30GHz 主頻，內存 4GB，100Mbps 的網絡帶寬 2。 仿真 CAN 總線發送和接收數據的具體實驗步驟如下。 用超級用戶登錄紅帽子 Linux 系統。 打開一個終端。 切換到 /dev/shm/目錄： cd /dev/shm/。 創建目錄 can_vbus： mkdir can_vbus。 更改目錄 can_vbus 的訪問權限為 0666： chmod 0666 can_vbus。 切換到用戶根目錄： cd /home/lh1111/。 進入 CAN 目錄： cd CAN/。 進入 Sja1000-vcan 目錄： cd Sja1000-vcan。 進入 vcanbus 目錄： cd vcanbus。 運行 vcanbus 程序： ./vcanbus。 打開另外一個終端。 切換到用戶根目錄： cd /home/lh1111/。 進入 asp 目錄： cd asp。 因為 SkyEye 已經被安裝在 /bin 目錄下，所以運行SkyEye 的命令為： skyeye -e asp -c skyeye.conf（ -e 選項表示要執行的目標文件， -c 選項表示配置文件），這時可以在終端上看到顯示信息（該窗口表示的是發送節點）如圖 3所示。 按上述步驟所設計的仿真方案，我們可以利用 SkyEye軟件仿真平臺較為 真實地模擬出汽車類 CAN 網絡應用程序開發的環境和過程。 4 實驗結果分析 四種傳輸速率下的測試平均時間如圖 5 所示。從圖 5可以直觀地看出：它是一個從高到低的平均傳輸時間，考慮系統負載方面，負載越大，則系統運行越慢。最左邊的矩形表示：在 200ms 的傳輸速度下，相比其他三種傳輸速度下的延遲時間要高得多，系統的負載是最高的，也就是說系統的反應時間就越長。當傳輸速率達到 500ms 以后，傳輸延遲時間開始趨于平均，這說明系統的負載（即運行負荷）沒有那么大了。從以上仿真實驗可以看出，通過 SkyEye 硬件 模擬平臺對 CAN 通訊協議進行仿真，我們所設計的 CAN 節點不但在節點間的數據通信上是正確的，而且 CAN 通信網絡也能達到較高的傳輸速率。實驗結果表明，所設計的仿真方案是有效和可行的。 5 在計算機實踐課教學中的應用 目前各高校在計算機實踐課教學，特別是實驗室建設方面都有很大投入，但是由于各種原因，比如學生人數多、實驗室教學任務繁重，而有些實驗需要移除計算機還原卡等保護工具，從而導致實驗室維護起來困難。在實際的計算機實踐課教學過程中，造成了部分實驗由于缺少實驗環境而無法按要求實現，這是影響教學 質量提高的一個瓶頸。因此創建可行的實驗環境就顯得尤其重要。仿真環境的構建，即利用虛擬機技術就可以很好地解決這個問題。通過安裝虛擬機軟件，在原有的計算機硬件設備配置不變的前提下，構建SkyEye 軟件仿真平臺，虛擬計算機、網絡設備等，可以輕松地構建虛擬的計算機網絡實驗環境。目前虛擬機技術在我校實驗室中得到了推廣應用，在 “ 操作系統 ” 和 “ 計算機網絡 ” 課程的教學過程中，使用虛擬機技術構建仿真實驗環境進行實踐課的教學，取得了較好的教學效果，有助于教學質量的提高。 6 結束語 為了方便 CAN 總線網絡應 用的開發，需要有可行的方法和合適工具對 CAN 總線網絡進行有效而快速的仿真和評估。本文研究的目的在于開發一套基于 SkyEye 的 CAN 總線通信協議仿真工具，借助于 SkeEye 虛擬機的功能，并加入 CAN網絡協議的支持，用于 CAN 總線應用的分析和評估。仿真實驗表明，該方案是有效、可行的。在目前的計算機實踐課教學中，使用虛擬機技術構建仿真實驗環境進行實踐課的教學，可以充分利用實驗室的資源，取得良好的教學效果，提高教學質量。 參考文獻： 1 姚竹亭，吳立新，潘宏俠等 .基于 CAN 總線的車輛控制系統 設計與實現 J.火力與指揮控制， 2009.34（ 6）：138-140 2 劉輝 .基于 SkyEye 的 CAN 網絡節點的仿真研究 D.湖南大學湖南大學碩士論文， 2012： 1-20 3 才紅玉 .基于 CAN 總線的車載網絡通信軟件的研究與實現 D.西南交通大學西南交通大學碩士論文， 2010： 1-2 4 Luis M P， Francisco V.Reliable Real-Time Communication inCAN NetworksJ. IEEE Trans.on Computers， 2003.52（ 12）： 1594-1607 5 Witkowski T， Blanc N， Kroening D， et al.Model CheckingConcurrent Linux Device DriversC. In： Proc of the 22nd IEEE/ACM international conference on Automated software engineering.Atlanta， 2007.501-504 6 汪瞳 .CAN 總線網絡仿真系統開發 D.哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學碩士論文， 2007： 3-15 7 尹文超，陳渝，康爍等 .SkyEye 模擬器的 LCD 及TouchScreen 模擬模塊的設計、實現與驗證 J.計算機科學，2005.32（ 6）： 189-192 8 鄧小武，李森林，胡萍 .SkyEye 開源軟件在嵌入式系統仿真中的應用研究 J.電腦與電信， 2012.7： 32-34 9 Lee O， Jung S C， Ahn H C， et al. APROV： Another Program Verifier for Embedded Linux Device DriversC. In： Proc of 10th International Conference on Advanced Communication Technology.Korea， 2008： 105-109 10 Wang A P， Hsu H H. Remote Monitoring and Control via the Intelligem Database Gateway for the CAN-based WheelchairC.IEEE International Conference on Networking.Sensing and Control， 2009.1： 445-450 11 王邦繼，劉慶想，李相強等 .CAN 總線應用層協議的研究與實現 J.計算機工程與應用， 2011.47（ 20）： 14-16 12 夏繼強，薛利強，滿慶豐等 .時間觸發 CAN 總線實時性分析及評估方法 J.北京航空航天大學學報， 2012.38（ 2）： 1-6 文檔資料： CAN 總線仿真環境的構建及在教學中的應用 完整下載 完整閱讀 全文下載 全文閱讀 免費閱讀及下載 閱讀相關文檔 :基于 Android 和網頁解析的教務系統設計與實現 基于移動平臺的校園資訊系統設計與實現 基于身份的數字簽名方案研究 系統可靠性技術在智能手機 Message 開發過程中的應用研究 云環境下的一種并行任務劃分方法研究 語音自動斷句及外語視聽教學資源的同步整合 基于 UDP協