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光纖CAN總線(xiàn)自愈環(huán)網(wǎng)的研究
摘要：介紹了光纖單CAN網(wǎng)絡(luò )的工作特點(diǎn)及其不足。為提高光纖CAN網(wǎng)絡(luò )的生存性，設計了光纖CAN總線(xiàn)自愈環(huán)網(wǎng)。采用塑料地（POF）為傳輸介質(zhì)，用波長(cháng)為650nm的紅光光電收發(fā)器件實(shí)現光/電轉換。分析了CAN網(wǎng)絡(luò )數據幀的結構特點(diǎn)，給出了基于CPLD的自愈接口電路的實(shí)現方法。通過(guò)組建車(chē)載光纖CAN總線(xiàn)自愈環(huán)網(wǎng)，證明該網(wǎng)絡(luò )不但具有自愈功能，還能消除光纖CAN環(huán)形網(wǎng)絡(luò )中的阻塞現象。CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)osch公司于20世紀80年代初為解決汽車(chē)中眾多數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議。由于其具有卓越的特性，CAN總線(xiàn)成為目前公認的幾種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN總線(xiàn)的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、光纖和同軸電纜。目前雙絞線(xiàn)CAN總線(xiàn)已得到了廣泛應用，各項技術(shù)已經(jīng)成熟。雙絞線(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò )在技術(shù)在容易實(shí)現、造價(jià)低廉，且對環(huán)境電磁輻射有一定抑制能力。但是當工作環(huán)境特別復雜時(shí)，其抗干擾能力并不十分令人滿(mǎn)意。如在電動(dòng)汽車(chē)現場(chǎng)，情況較為復雜，車(chē)載電氣系統會(huì )產(chǎn)生強電磁干擾，將導致雙絞線(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò )不能正常工作。與雙絞線(xiàn)和同軸電纜相比，光纖的優(yōu)越性能--強大的抗EMI能力引起人們的關(guān)注。為進(jìn)一步提高CAN網(wǎng)絡(luò )的性能，應采用光纖作傳輸介質(zhì)。由于車(chē)載局域網(wǎng)傳送距離短，同時(shí)為了降低車(chē)載光纖CAN網(wǎng)絡(luò )的成本，可選用塑料光纖(POF)作為傳輸介質(zhì)。塑料光纖在高速短距離通信傳輸中成本低、易連接、可繞性好、重量輕，故組網(wǎng)成本低。德國寶馬公司在2002年3月上市的最高級新款轎車(chē)"BMW7系列''中采用于50m POF構筑車(chē)內局域網(wǎng)。
光纖CAN網(wǎng)作為一種工業(yè)底層控制局域網(wǎng)，其拓撲結構與常用局域網(wǎng)一樣，基本拓撲結構有總線(xiàn)形、環(huán)形和暈形。在光纖單環(huán)CAN網(wǎng)絡(luò )中，由于器件的延時(shí)將導致環(huán)路信號自激，使環(huán)形CAN網(wǎng)絡(luò )堵塞(或稱(chēng)為鎖死)。為遵守CAN總線(xiàn)控制器在鏈路層的協(xié)議，應設計一種光纖CAN單環(huán)網(wǎng)專(zhuān)用邏輯控制單元LCU。該單元的功能是：對CAN總線(xiàn)數據實(shí)現收發(fā)控制，即主節點(diǎn)對接收到的數據不轉發(fā)，當數據沿光纖環(huán)回到原發(fā)送節點(diǎn)時(shí)，立即被剔除；從節點(diǎn)對接收數據實(shí)現轉發(fā)。同時(shí)還可消除環(huán)形光纖CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的自激現象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞。
Q光纖單環(huán)網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)或鏈路的故障可能造成網(wǎng)絡(luò )的癱瘓。為了提高光纖環(huán)網(wǎng)的生存性，應構成具有自愈功能的光纖雙環(huán)自愈網(wǎng)。
圖1
1 光纖自愈環(huán)CAN網(wǎng)總體設計
1．1 光纖自愈環(huán)結構
光纖自愈環(huán)CAN網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò )有兩條光纖環(huán)路--順時(shí)針環(huán)和逆時(shí)針環(huán)，各節點(diǎn)CAN控制器SJAl000通過(guò)接口電路與雙環(huán)光纖網(wǎng)相連，接口電路由Altera公司出產(chǎn)的復雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個(gè)光發(fā)送器LEDR和LEDL、兩個(gè)光接收器PINR和PINL組成。
1．2 接口電路的功能
光纖自愈環(huán)CAN網(wǎng)接口電路的功能是：(1)當光纖雙環(huán)通信正常時(shí)(如圖2(a)所示)，各節點(diǎn)右端光發(fā)送器 LEDR傳送左端光接收器PINL的數據，信號順時(shí)針傳送；同理LEDL傳送PINR的數據，信號逆時(shí)針傳送，即發(fā)送器選擇對側數據轉發(fā)。(2)當單根光纖故障時(shí)(如圖2(b)所示)，下游C節點(diǎn)接口電路實(shí)現環(huán)回，由于左側光接收器PINL無(wú)信號，右端光發(fā)送器LEDR選擇同側光接收器PINR數據轉發(fā)。(3)當任意節點(diǎn)間兩根光纖故障時(shí)(如圖2(c)所以)，如BC節點(diǎn)間光纖被切斷時(shí)，則B、C兩個(gè)節點(diǎn)與光纖切斷點(diǎn)相連執行環(huán)回功能。此時(shí)，從A到C的信號AC則先經(jīng)順時(shí)針環(huán)到B，再經(jīng)逆時(shí)針環(huán)過(guò)A、D后到達C。而信號CA則仍經(jīng)順時(shí)針環(huán)傳輸。這種自愈功能保證在故障情況下仍能維持環(huán)的連續性。故障排除后，倒換開(kāi)關(guān)自動(dòng)返回原來(lái)位置。(4)實(shí)現節點(diǎn)CAN控制器數據選擇接收。其原則為：對于各節點(diǎn)接收的順、逆時(shí)針數據，選擇PINL、PINR中先到達的數據接收。(5)實(shí)現節點(diǎn)數據選擇發(fā)送。其原則為：當總線(xiàn)空閑時(shí)，選擇本節點(diǎn)CAN控制器發(fā)送端TX發(fā)送數據，可消除環(huán)形光纖CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的自激現象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞；當本節點(diǎn)CAN控制器為接收節點(diǎn)時(shí)，選擇對側數據發(fā)送；當本節點(diǎn)CAN控制器為接收節點(diǎn)時(shí)，且對側光纖通道故障，則選擇同側數據發(fā)送。(6)判別各通道幀起始和幀結束，鑒別總線(xiàn)是否空閑，網(wǎng)絡(luò )是否故障。如判斷到左測光接收器PINL有數據幀正在傳送時(shí)，產(chǎn)生左側發(fā)送數據標志flag_l和網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)標志sync_l。
2 接口電路設計
光纖CAN自愈網(wǎng)的自愈功能及收發(fā)控制功能由可編程邏輯器件(ALTERA EPM7128SLC84一15)實(shí)現，編程采用VHDL語(yǔ)言。下面進(jìn)行具體介紹。
2．1 輸入輸出口設置
圖3為接口電路CPLD的I／O口示意圖。其中，輸入輸出pin_l、led_l、1ed_r、pin_r分別與光／電轉換模塊PINL、LEDL、LEDR、PINR相連：txd、rxd分別與CAN痙制器的數據發(fā)送端TX、接收端RX相連；flag_txd=1代表本節點(diǎn)CAN控制器TX0正在發(fā)送數據幀；flag_l=1代表左側通道正在發(fā)送數據幀；flag__r=1代表右側通道正在發(fā)送單據幀。sync_l為左側網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)標志，sync_r為右側網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)標志。當左通道正常時(shí)，輸出sync_1="l"，驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)發(fā)光二極管D_sl亮；當右通道正常時(shí)，輸出sync_r="1"，驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr亮；若網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr或D_sl滅，表示網(wǎng)絡(luò )對應光纖通道出了故障。當本節點(diǎn)CAN控制器選擇左通道數據接收時(shí)，輸出端rx_l／r為高電平；當本節點(diǎn)CAN控制器選擇右通道數據接收時(shí)，輸出端rx_l／r為低電平。輸入端reset為復位端，低電平有效；clk0為時(shí)鐘輸入端，輸入時(shí)鐘的頻率為20MHz。
圖2
2．2 CPLD功能結構
CPLD為控制環(huán)網(wǎng)自愈接口單元，控制電路由分頻器、中心狀態(tài)機、發(fā)送數據選擇器、接收數據選擇器組成，如圖4所示。
2．3 分頻器
通訊接口CPLD時(shí)鐘頻率為20MHz。在光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)中，各節點(diǎn)CAN控制器SJAl000和CPLD接口采用獨立的工作時(shí)鐘。為使狀態(tài)機產(chǎn)生的flag的信號與CAN控制器數據傳送同步，以保證兩個(gè)數據選擇器的切換和數據傳送同步，應正確選擇狀態(tài)機的時(shí)鐘。本文中CAN網(wǎng)數據傳送波特率是125kbit／s，狀態(tài)．機時(shí)鐘rxclk的速率設計為數據傳送波特率的8倍，即1Mbit／s，保證在一個(gè)CA
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