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光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)的研究
摘要：介紹了光纖單CAN網(wǎng)絡的工作特點及其不足。為提高光纖CAN網(wǎng)絡的生存性，設計了光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)。采用塑料地（POF）為傳輸介質，用波長為650nm的紅光光電收發(fā)器件實現(xiàn)光/電轉換。分析了CAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀的結構特點，給出了基于CPLD的自愈接口電路的實現(xiàn)方法。通過組建車載光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)，證明該網(wǎng)絡不但具有自愈功能，還能消除光纖CAN環(huán)形網(wǎng)絡中的阻塞現(xiàn)象。CAN總線是德國Bosch公司于20世紀80年代初為解決汽車中眾多數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。由于其具有卓越的特性，CAN總線成為目前公認的幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線的傳輸介質可以是雙絞線、光纖和同軸電纜。目前雙絞線CAN總線已得到了廣泛應用，各項技術已經成熟。雙絞線CAN網(wǎng)絡在技術在容易實現(xiàn)、造價低廉，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，其抗干擾能力并不十分令人滿意。如在電動汽車現(xiàn)場，情況較為復雜，車載電氣系統(tǒng)會產生強電磁干擾，將導致雙絞線CAN網(wǎng)絡不能正常工作。與雙絞線和同軸電纜相比，光纖的優(yōu)越性能--強大的抗EMI能力引起人們的關注。為進一步提高CAN網(wǎng)絡的性能，應采用光纖作傳輸介質。由于車載局域網(wǎng)傳送距離短，同時為了降低車載光纖CAN網(wǎng)絡的成本，可選用塑料光纖(POF)作為傳輸介質。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"BMW7系列''中采用于50m POF構筑車內局域網(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形、環(huán)形和暈形。在光纖單環(huán)CAN網(wǎng)絡中，由于器件的延時將導致環(huán)路信號自激，使環(huán)形CAN網(wǎng)絡堵塞(或稱為鎖死)。為遵守CAN總線控制器在鏈路層的協(xié)議，應設計一種光纖CAN單環(huán)網(wǎng)專用邏輯控制單元LCU。該單元的功能是：對CAN總線數(shù)據(jù)實現(xiàn)收發(fā)控制，即主節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)不轉發(fā)，當數(shù)據(jù)沿光纖環(huán)回到原發(fā)送節(jié)點時，立即被剔除；從節(jié)點對接收數(shù)據(jù)實現(xiàn)轉發(fā)。同時還可消除環(huán)形光纖CAN總線網(wǎng)絡的自激現(xiàn)象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞。
Q光纖單環(huán)網(wǎng)絡中，節(jié)點或鏈路的故障可能造成網(wǎng)絡的癱瘓。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)絡如圖1所示。該網(wǎng)絡有兩條光纖環(huán)路--順時針環(huán)和逆時針環(huán)，各節(jié)點CAN控制器SJAl000通過接口電路與雙環(huán)光纖網(wǎng)相連，接口電路由Altera公司出產的復雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發(fā)送器LEDR和LEDL、兩個光接收器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(如圖2(a)所示)，各節(jié)點右端光發(fā)送器 LEDR傳送左端光接收器PINL的數(shù)據(jù)，信號順時針傳送；同理LEDL傳送PINR的數(shù)據(jù)，信號逆時針傳送，即發(fā)送器選擇對側數(shù)據(jù)轉發(fā)。(2)當單根光纖故障時(如圖2(b)所示)，下游C節(jié)點接口電路實現(xiàn)環(huán)回，由于左側光接收器PINL無信號，右端光發(fā)送器LEDR選擇同側光接收器PINR數(shù)據(jù)轉發(fā)。(3)當任意節(jié)點間兩根光纖故障時(如圖2(c)所以)，如BC節(jié)點間光纖被切斷時，則B、C兩個節(jié)點與光纖切斷點相連執(zhí)行環(huán)回功能。此時，從A到C的信號AC則先經順時針環(huán)到B，再經逆時針環(huán)過A、D后到達C。而信號CA則仍經順時針環(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(xù)性。故障排除后，倒換開關自動返回原來位置。(4)實現(xiàn)節(jié)點CAN控制器數(shù)據(jù)選擇接收。其原則為：對于各節(jié)點接收的順、逆時針數(shù)據(jù)，選擇PINL、PINR中先到達的數(shù)據(jù)接收。(5)實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)選擇發(fā)送。其原則為：當總線空閑時，選擇本節(jié)點CAN控制器發(fā)送端TX發(fā)送數(shù)據(jù)，可消除環(huán)形光纖CAN總線網(wǎng)絡的自激現(xiàn)象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞；當本節(jié)點CAN控制器為接收節(jié)點時，選擇對側數(shù)據(jù)發(fā)送；當本節(jié)點CAN控制器為接收節(jié)點時，且對側光纖通道故障，則選擇同側數(shù)據(jù)發(fā)送。(6)判別各通道幀起始和幀結束，鑒別總線是否空閑，網(wǎng)絡是否故障。如判斷到左測光接收器PINL有數(shù)據(jù)幀正在傳送時，產生左側發(fā)送數(shù)據(jù)標志flag_l和網(wǎng)絡通信狀態(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)實現(xiàn)，編程采用VHDL語言。下面進行具體介紹。
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(shù)據(jù)發(fā)送端TX、接收端RX相連；flag_txd=1代表本節(jié)點CAN控制器TX0正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀；flag_l=1代表左側通道正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀；flag__r=1代表右側通道正在發(fā)送單據(jù)幀。sync_l為左側網(wǎng)絡通信狀態(tài)標志，sync_r為右側網(wǎng)絡通信狀態(tài)標志。當左通道正常時，輸出sync_1="l"，驅動網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)光二極管D_sl亮；當右通道正常時，輸出sync_r="1"，驅動網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr亮；若網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr或D_sl滅，表示網(wǎng)絡對應光纖通道出了故障。當本節(jié)點CAN控制器選擇左通道數(shù)據(jù)接收時，輸出端rx_l／r為高電平；當本節(jié)點CAN控制器選擇右通道數(shù)據(jù)接收時，輸出端rx_l／r為低電平。輸入端reset為復位端，低電平有效；clk0為時鐘輸入端，輸入時鐘的頻率為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(shù)據(jù)選擇器、接收數(shù)據(jù)選擇器組成，如圖4所示。
2．3 分頻器
通訊接口CPLD時鐘頻率為20MHz。在光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)中，各節(jié)點CAN控制器SJAl000和CPLD接口采用獨立的工作時鐘。為使狀態(tài)機產生的flag的信號與CAN控制器數(shù)據(jù)傳送同步，以保證兩個數(shù)據(jù)選擇器的切換和數(shù)據(jù)傳送同步，應正確選擇狀態(tài)機的時鐘。本文中CAN網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送波特率是125kbit／s，狀態(tài)．機時鐘rxclk的速率設計為數(shù)據(jù)傳送波特率的8倍，即1Mbit／s，保證在一個CA
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