什么是CAN總線負(fù)載率？怎么計(jì)算負(fù)載率？（附送負(fù)載率自動(dòng)計(jì)算表格）
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?0、前言
近期小編發(fā)表了一些關(guān)于CAN總線的文章，（點(diǎn)擊查看文章匯總），有粉絲在后臺(tái)留言問：能否寫一些關(guān)于CAN總線負(fù)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。
1、什么是CAN總線的負(fù)載率？
一般業(yè)內(nèi)對(duì)負(fù)載率的定義為：實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率和理論上能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率的比值。
可類比景區(qū)的負(fù)載率進(jìn)行理解：每個(gè)景區(qū)都有一個(gè)負(fù)荷上限，比如10000人，如果此時(shí)景區(qū)內(nèi)只有1000人，那么這時(shí)的景區(qū)負(fù)載率是10%。如下圖1和圖2分別展示了景區(qū)高負(fù)載率和低負(fù)載率的情況。
圖1：高負(fù)載率
圖2：低負(fù)載率
景區(qū)負(fù)載率是一個(gè)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(fù)載率則不然，其是在時(shí)間上定義的一個(gè)概念，說明了在時(shí)間上資源被使用的情況。
因?yàn)閭鬏斔俾室话闶前疵雭?lái)計(jì)算，數(shù)據(jù)傳輸速率既為每秒鐘傳輸了多少個(gè)BIT，負(fù)載率也默認(rèn)為在一秒的時(shí)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(gè)BIT，如果在某一秒中總線上只傳輸了100000個(gè)BIT，則總線負(fù)載率為20%。
2、CAN總線負(fù)載率最大支持多少？
在行業(yè)內(nèi)一般要求負(fù)載率不大于30%。
如果按照空間上負(fù)載率的概念做簡(jiǎn)單類比，CAN總線上一般要求負(fù)載率不大于30%似乎不能被理解，畢竟物盡其用這個(gè)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(fù)載率高壓線，就不得的不引入CAN理論中另外幾個(gè)重要的概念：ID仲裁、閑時(shí)發(fā)送和最大反應(yīng)時(shí)間。
CAN總線本質(zhì)上是一種串口通訊，靠在時(shí)間線上對(duì)每一位的電壓值進(jìn)行調(diào)制來(lái)搭載不同的信號(hào)。因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)共用總線介質(zhì)，對(duì)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(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)擁有總線控制權(quán)進(jìn)而向總線發(fā)送報(bào)文剩余部分，在仲裁中失敗的節(jié)點(diǎn)讓出總線控制權(quán)等待下次總線空閑時(shí)繼續(xù)嘗試發(fā)送。
我們可以看到如果某一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一幀報(bào)文，它需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件
1、總線是空閑的，即目前沒有任何節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文，在總線上表示為節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到11個(gè)連續(xù)的隱性位；
2、所需發(fā)送的報(bào)文贏得ID仲裁，即報(bào)文優(yōu)先級(jí)較高。
一個(gè)報(bào)文在試圖發(fā)送時(shí)，必須滿足上述兩個(gè)條件才能完成發(fā)送。這里的問題就是：如果一個(gè)優(yōu)先級(jí)相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)向外發(fā)報(bào)文時(shí)，會(huì)因?yàn)椴粩嗟卦谥俨弥惺《鴮?dǎo)致發(fā)送延遲。如果延遲過大會(huì)引起通訊失敗。
負(fù)載率越高，代表需要發(fā)送的數(shù)據(jù)越多，相對(duì)來(lái)說低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生通訊延遲的概率越大。
實(shí)際上30%的數(shù)據(jù)也只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，歷史很悠久的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。從本質(zhì)上來(lái)看，限制負(fù)載率最終是要保證相對(duì)低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的通訊實(shí)時(shí)性，如果能通過網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)優(yōu)化等手段滿足每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大響應(yīng)時(shí)間滿足要求，負(fù)載率只是一個(gè)無(wú)關(guān)緊要的參數(shù)。
3：負(fù)載率計(jì)算
想要了解負(fù)載率的計(jì)算，需先清楚CAN總線的幀格式。
圖3：CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式
圖4：CAN擴(kuò)展幀格式
圖5：幀間隔假設(shè)
網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(hào)，把每個(gè)信號(hào)幀所占的負(fù)載率算出來(lái)，相加即得到總的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。FBCM_1/FBCM_2這兩幀的所占的負(fù)載率算法如下：?????負(fù)載率1 = (1000ms / 20ms)? * 111 / 500000 = 0.0111 = 1.11%
負(fù)載率2 = (1000ms / 10ms)? * 111 / 500000 = 0.0222 = 2.22%
4：負(fù)載率自動(dòng)計(jì)算工具
根據(jù)以上的負(fù)載率計(jì)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(gè)數(shù)、幀間隔、幀類型等，可以自動(dòng)出總線負(fù)載率。請(qǐng)關(guān)注公眾號(hào)【玩轉(zhuǎn)單片機(jī)與嵌入式】，在后臺(tái)回復(fù)【CAN負(fù)載率】，將自動(dòng)發(fā)送負(fù)載率計(jì)算的工具給您。當(dāng)然：本文的重點(diǎn)是講解CAN總線負(fù)載率的原理及如何進(jìn)行負(fù)載率計(jì)算；真實(shí)情況下不需要自動(dòng)手動(dòng)計(jì)算，可以使用CAN分析儀等工具可以輕松的讀取到CAN總線負(fù)載率。End
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1、什么是CAN總線的負(fù)載率？
一般業(yè)內(nèi)對(duì)負(fù)載率的定義為：實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率和理論上能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率的比值。
可類比景區(qū)的負(fù)載率進(jìn)行理解：每個(gè)景區(qū)都有一個(gè)負(fù)荷上限，比如10000人，如果此時(shí)景區(qū)內(nèi)只有1000人，那么這時(shí)的景區(qū)負(fù)載率是10%。如下圖1和圖2分別展示了景區(qū)高負(fù)載率和低負(fù)載率的情況。
圖1：高負(fù)載率
圖2：低負(fù)載率
景區(qū)負(fù)載率是一個(gè)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(fù)載率則不然，其是在時(shí)間上定義的一個(gè)概念，說明了在時(shí)間上資源被使用的情況。
因?yàn)閭鬏斔俾室话闶前疵雭?lái)計(jì)算，數(shù)據(jù)傳輸速率既為每秒鐘傳輸了多少個(gè)BIT，負(fù)載率也默認(rèn)為在一秒的時(shí)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(gè)BIT，如果在某一秒中總線上只傳輸了100000個(gè)BIT，則總線負(fù)載率為20%。
2、CAN總線負(fù)載率最大支持多少？
在行業(yè)內(nèi)一般要求負(fù)載率不大于30%。
如果按照空間上負(fù)載率的概念做簡(jiǎn)單類比，CAN總線上一般要求負(fù)載率不大于30%似乎不能被理解，畢竟物盡其用這個(gè)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(fù)載率高壓線，就不得的不引入CAN理論中另外幾個(gè)重要的概念：ID仲裁、閑時(shí)發(fā)送和最大反應(yīng)時(shí)間。
CAN總線本質(zhì)上是一種串口通訊，靠在時(shí)間線上對(duì)每一位的電壓值進(jìn)行調(diào)制來(lái)搭載不同的信號(hào)。因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)共用總線介質(zhì)，對(duì)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(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)擁有總線控制權(quán)進(jìn)而向總線發(fā)送報(bào)文剩余部分，在仲裁中失敗的節(jié)點(diǎn)讓出總線控制權(quán)等待下次總線空閑時(shí)繼續(xù)嘗試發(fā)送。
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實(shí)際上30%的數(shù)據(jù)也只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，歷史很悠久的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。從本質(zhì)上來(lái)看，限制負(fù)載率最終是要保證相對(duì)低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的通訊實(shí)時(shí)性，如果能通過網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)優(yōu)化等手段滿足每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大響應(yīng)時(shí)間滿足要求，負(fù)載率只是一個(gè)無(wú)關(guān)緊要的參數(shù)。
3：負(fù)載率計(jì)算
想要了解負(fù)載率的計(jì)算，需先清楚CAN總線的幀格式。
圖3：CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式
圖4：CAN擴(kuò)展幀格式
圖5：幀間隔假設(shè)
- Ui：各個(gè)信息幀占用總線百分比
- L：為報(bào)文的總長(zhǎng)度
- C：為報(bào)文的總線占用時(shí)間? ? ??
- N：為填充的位數(shù)
- t：為毛速率 ( 亦稱波特率 )下的位時(shí)間
- L = N ? 8d g 13
- C = ?L * t
- Ui = C / T
網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(hào)，把每個(gè)信號(hào)幀所占的負(fù)載率算出來(lái)，相加即得到總的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。FBCM_1/FBCM_2這兩幀的所占的負(fù)載率算法如下：?????負(fù)載率1 = (1000ms / 20ms)? * 111 / 500000 = 0.0111 = 1.11%
負(fù)載率2 = (1000ms / 10ms)? * 111 / 500000 = 0.0222 = 2.22%
4：負(fù)載率自動(dòng)計(jì)算工具
根據(jù)以上的負(fù)載率計(jì)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(gè)數(shù)、幀間隔、幀類型等，可以自動(dòng)出總線負(fù)載率。請(qǐng)關(guān)注公眾號(hào)【玩轉(zhuǎn)單片機(jī)與嵌入式】，在后臺(tái)回復(fù)【CAN負(fù)載率】，將自動(dòng)發(fā)送負(fù)載率計(jì)算的工具給您。當(dāng)然：本文的重點(diǎn)是講解CAN總線負(fù)載率的原理及如何進(jìn)行負(fù)載率計(jì)算；真實(shí)情況下不需要自動(dòng)手動(dòng)計(jì)算，可以使用CAN分析儀等工具可以輕松的讀取到CAN總線負(fù)載率。End
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