摘要：本文對基于雙絞線的CAN
總線特性進(jìn)行了歸納和分析，論述了在CAN 總線物理層用光纖替代雙絞線實(shí)現(xiàn)CAN 總線通信的原理，重點(diǎn)對基于集線器的單光纖CAN 總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型進(jìn)行了研究和探索，提出了一種基于集線器的單光纖CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，并構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了有關(guān)的性能測試和驗(yàn)證。
關(guān)鍵字：光纖；CAN 總線；光模塊；集線器；電磁干擾
1. 引言
CAN 控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network)起源于德國Bosch 公司，由于其獨(dú)特的多主非破壞逐位仲裁機(jī)制、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸、良好的開放性、較高的性價(jià)比、國際范圍的標(biāo)準(zhǔn)化和廣泛的器件來源，迅速在眾多工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為發(fā)展最快、最具前途的現(xiàn)場總線之一。
CAN 總線作為一種應(yīng)用越來越廣泛的現(xiàn)場總線，一直以來都是采用金屬雙絞屏蔽線作為組網(wǎng)傳輸介質(zhì)，盡管采用差分方式傳輸?shù)腃AN 總線已經(jīng)具有較好的抗干擾能力，但是，對于一些特殊場合，如：電磁環(huán)境惡劣、高電壓、強(qiáng)磁場等應(yīng)用場合，金屬雙絞屏蔽線的CAN 網(wǎng)絡(luò)就無法適應(yīng)了。近年來，隨著光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，光纖作為新興的信息傳輸介質(zhì)，具有獨(dú)特的免電磁干擾特性和抗惡劣環(huán)境、不輻射電磁波、不導(dǎo)電的優(yōu)良品質(zhì)。因此，本文在分析了雙絞線CAN 總線特性的基礎(chǔ)上，提出一種新型的光纖CAN 總線接口和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，以促進(jìn)光纖CAN 總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
2. 金屬雙絞線CAN總線接口特性分析
典型的金屬雙絞線CAN 總線接口電路如圖1所示。
圖1 典型的金屬雙絞線CAN 總線接口電路
收發(fā)器PCA82C250 是設(shè)備中CAN 總線控制器SJA1000 和外部雙絞屏蔽線CAN 總線網(wǎng)絡(luò)之間的接口。它向總線提供差分驅(qū)動(dòng)，它的主要功能是將CAN 總線控制器TX0 端輸出信號的TTL 電平變換為CAN 總線上的“隱性”(邏輯“1”)或“顯性”(邏輯“0”)；并將CAN 總線上的邏輯電平變換為CAN總線控制器可以識別的TTL 電平，從RX0 端輸入。其真值表見表1。
收發(fā)器發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的原理詳見參考文獻(xiàn)［1］。除了上述收發(fā)器的功能之外，CAN 總線接口還具有下列重要特性。
1)“線與”功能：當(dāng)TXD=‘1’發(fā)送“隱性”電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器使PNP 管和NPN 管截止，總線的狀態(tài)由其它節(jié)點(diǎn)的輸出狀態(tài)決定，只有當(dāng)總線上所有節(jié)點(diǎn)都輸出“隱性”位時(shí)，總線狀態(tài)才為“隱性”；否則，只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送“顯性”位，網(wǎng)線CANH 被鉗位在高電平，CANL被鉗位在低電平，則此時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)必為“顯性”位。故收發(fā)器RXD 端的信號是所有節(jié)點(diǎn)TXD信號“相與”邏輯運(yùn)算的結(jié)果；
2)“在線監(jiān)聽”功能：控制器從TX0 端發(fā)出的信號，通過收發(fā)器在總線上“線與”后，從RXD輸出給控制器RX0 端接收，實(shí)現(xiàn)總線的“在線監(jiān)聽”功能；
3)節(jié)點(diǎn)故障保護(hù)功能：當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，CAN總線控制器可能連續(xù)發(fā)送“顯性”位“霸占”總線，造成系統(tǒng)癱瘓，此時(shí)，收發(fā)器中的保護(hù)電路將自動(dòng)將本節(jié)點(diǎn)斷開；
4)非破壞逐位競爭總線仲裁機(jī)制：該機(jī)制是利用CAN 控制器的“在線監(jiān)聽”和收發(fā)器的硬件“線與”功能，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生競爭，逐位同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)文標(biāo)識符時(shí)，如果控制器發(fā)送出去的位值和“在線監(jiān)聽”讀回的位值一致，則繼續(xù)發(fā)送下一位參與競爭；如果發(fā)送出去的位值和“在線監(jiān)聽”讀回的位值不一致，即本節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級低(數(shù)值大，該位值為1，即隱性)，則控制器判定本節(jié)點(diǎn)退出競爭。
3. 總體設(shè)計(jì)
3.1. 系統(tǒng)構(gòu)型
目前，已經(jīng)研究和開發(fā)出來的光纖CAN 總線網(wǎng)絡(luò)主要有總線型、環(huán)形和星型等網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，且基本采用雙光纖分別實(shí)現(xiàn)信號的收/發(fā)功能。本文提出了一種新型的基于集線器形式的單光纖CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，屬于星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，采用點(diǎn)對點(diǎn)方式通信。
3.2. 光纖物理層定義
本研究在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的物理層保留了CAN控制器，重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)物理層,以收/發(fā)一體化的光模塊替代CAN 收發(fā)器，以波分復(fù)用的單光纖替代金屬雙絞屏蔽線，收/發(fā)采用不同波長的光波進(jìn)行信息傳輸，并保證網(wǎng)絡(luò)物理層之上完全符合CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)的定義。
3.3. “顯性”和“隱性”位定義
本研究中“顯性”和“隱性”位定義為：光纖中有光信號傳輸時(shí)表示“顯性”位，無光時(shí)表示“隱性”位。
在CAN 控制器（如：SJA1000）的發(fā)送端TX0和接收端RX0 處，仍然保持現(xiàn)有的定義不變：邏輯“0”定義為“顯性”電平；邏輯“1”定義為“隱性”電平。
3.4. 非破壞總線仲裁機(jī)制設(shè)計(jì)
CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的非破壞總線仲裁機(jī)制之所以能夠?qū)崿F(xiàn)的一個(gè)重要特性就是收發(fā)器硬件的“線與”功能。本研究采用復(fù)雜可編程
邏輯器件CPLD 的“邏輯與”來實(shí)現(xiàn)。只要確保CAN 總線控制器TX0 和RX0 端的信號特征不變，非破壞逐位競爭的總線仲裁機(jī)制就可以實(shí)現(xiàn)，并且CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層以上均保持不變。
3.5. 收發(fā)器容錯(cuò)機(jī)制設(shè)計(jì)
在雙絞線CAN 總線中，CAN 收發(fā)器具有故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)關(guān)閉功能。即當(dāng)CAN 控制器硬件故障，長期發(fā)送“顯性”位時(shí)，CAN 收發(fā)器自動(dòng)關(guān)閉本節(jié)點(diǎn)。在光纖CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中，該功能由集線器CPLD 中的邏輯來實(shí)現(xiàn)。
3.6. 光路設(shè)計(jì)要素
3.6.1. 收/發(fā)一體化光模塊
CAN 總線通訊時(shí)，總線上傳輸?shù)氖侵绷餍盘枺虼耍仨毑捎媚軌騻鬏斨绷鞯墓饽K。目前能傳輸基帶信號的收發(fā)一體模塊的最高帶寬為10MHz，本研究選2MHz。該模塊通過TTL 電平與CAN 控制器接口，并采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)將收/發(fā)光波耦合到一根光纖中，從而實(shí)現(xiàn)單纖雙向通信。
本研究特別定制了以下兩種：
FC 型光模塊(FC 型連接器)：發(fā)送波長=1310nm；接收波長=1550nm；
SC 型光模塊(SC 型連接器)：發(fā)送波長=1550nm；接收波長=1310nm。
3.6.2. 光纖和通信窗口
由于本研究應(yīng)用環(huán)境的CAN 總線長度只有幾十米，總線速率不超過1Mbps，故選用對光源技術(shù)要求較低、衰減較小(功耗低)和芯徑較粗（可靠性較高）的玻璃多模光纖。
多模玻璃光纖主要有850nm、1310nm 和1550nm三個(gè)通信窗口。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間選用某個(gè)波長作為發(fā)射窗口、另一個(gè)波長作為窗口則可實(shí)現(xiàn)單根光纖上的雙向通信。本研究中采用1550nm 和1310nm 兩個(gè)窗口實(shí)現(xiàn)雙向通信。
4. 技術(shù)方案
4.1. 光纖接口物理層設(shè)計(jì)
典型的光路組成如圖2 所示。
圖2 光纖接口連接框圖
FC 型收發(fā)一體化光模塊由光電子器件、功能電路和光接口等組成。光電子器件包括發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分：輸入一定碼率的電信號經(jīng)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片處理后驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號，其內(nèi)部帶有光功率自動(dòng)控制電路，使輸出的光信號功率保持穩(wěn)定。接收部分：一定碼率的光信號輸入光模塊后由光探測二極管轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大器后輸出相應(yīng)碼率的電信號。發(fā)送和接收光波通過FC 光纖連接器進(jìn)入光纖。集線器中采用SC 型收發(fā)一體化光模塊完成光/電和電/光的轉(zhuǎn)換，其輸出端TD 和輸入端RD 直接與CPLD 連接。
FC 型和SC 型收發(fā)一體化光模塊的收/發(fā)光波波長對應(yīng)互置，共享一根光纖，互不干擾。如：FC 型光模塊的發(fā)送波長為1310nm，則SC 型光模塊的接收波長就是1310nm。
4.2. 系統(tǒng)的組成
如圖3 所示，本研究采用以光纖CAN 總線集線器為中心的星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，集線器通過單光纖與N個(gè)節(jié)點(diǎn)連接。在節(jié)點(diǎn)中保留CAN 總線控制器，舍棄了雙絞線網(wǎng)絡(luò)中的收發(fā)器和雙絞線，代之以收/發(fā)一體化光模塊和單根光纖進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換和傳輸，詳見圖2。總線集線器是實(shí)現(xiàn)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)“線與”功能的關(guān)鍵設(shè)備，集線器以CPLD 為核心，各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號RX(1)～RX(n)相與后，通過TX(1)～TX(n) 同時(shí)回傳給各節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光纖CAN 總線網(wǎng)絡(luò)“線與”功能。
圖3 基于集線器的單光纖CAN 總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型
4.3. 工作原理
如圖2 和圖3 所示，1＃節(jié)點(diǎn)CAN 總線控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送端TX0 將報(bào)文標(biāo)識符逐位發(fā)送給反向器，“顯性”為“0”，“隱性”為“1”；經(jīng)過反向器后，“顯性”為“1”，“隱性”為“0”；FC 型光模塊的TD 端接收“1”時(shí)，LED 發(fā)送波長為1310nm 的光波，接收“0”時(shí)，不發(fā)光，因此，經(jīng)過光模塊后，光纖中有光表示“顯性”，無光表示“隱性”。
光波通過光纖到達(dá)光纖CAN 總線集線器，經(jīng)過SC 型光纖連接器進(jìn)入SC 型光模塊，經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換后，以電信號形式從SC 型光模塊的RD 端輸出，此時(shí)，信號“顯性”為“1”，“隱性”為“0”；此信號通過CPLD 的1＃光口的RX(1)進(jìn)入CPLD，各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號RX(1)～RX(n)按照下列公式進(jìn)行邏輯運(yùn)算：
TX(1),… , TX(n)=RX(1) & RX(2) & … & RX(n-1) & RX(n)
其含義是將輸入到CPLD 中的n 個(gè)輸入信號RX(1),RX(2)…RX(n-1),RX(n)全部相“與”后，再送回n 個(gè)輸出TX(1),TX(2)…TX(n-1),TX(n),從而，采用CPLD 邏輯“與”實(shí)現(xiàn)了雙絞線的“線與”功能。
“相與”后的信號通過CPLD 的TX(1)端發(fā)送給SC 型光模塊的TD 端，SC 型光模塊的TD 端接收“1”時(shí)，LED 發(fā)送波長為1550nm 的光波，接收“0”時(shí)，不發(fā)光，此時(shí)，光纖中有光表示“顯性”，無光表示“隱性”。
光波通過光纖到達(dá)1＃節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過FC 型光纖連接器返回FC 型光模塊，經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換后，以電信號形式從FC 型光模塊的RD 端輸出，此時(shí)，信號“顯”為“1”，“隱性”為“0”；此信號通過反向器反向后，信號特性變?yōu)椤帮@性”為“0”，“隱性”為“1”，此信號送入SJA1000 的RX0 端被控制器采集，并進(jìn)行仲裁。
仲裁原理：如果1＃節(jié)點(diǎn)的CAN 總線控制器TX0 端發(fā)送出去的狀態(tài)位值與此時(shí)RX0 端收到的位值不一致，則該節(jié)點(diǎn)退出競爭；反之，如果一致，則該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送下一位參與競爭，直至最后勝出，取得總線控制權(quán)。
5. 系統(tǒng)建模與測試
基于上述方案，我們建立了兩套系統(tǒng)模型，兩套系統(tǒng)模型都是基于光纖CAN 總線集線器的網(wǎng)絡(luò)模型，只是節(jié)點(diǎn)機(jī)不同，一個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)機(jī)為單片機(jī)節(jié)點(diǎn)機(jī)，另一個(gè)是對現(xiàn)有
工控機(jī)的CAN 總線板卡進(jìn)行光纖化改進(jìn)，在已有雙絞線系統(tǒng)中直接替換物理層。系統(tǒng)規(guī)模為8 個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)，光纖長度為10m。
在此模型上，進(jìn)行了收/發(fā)一體化光模塊的轉(zhuǎn)換延時(shí)、總線通信速率和報(bào)文丟失率(近似誤碼率)等方面的簡單測試，測試情況見表2。
6. 結(jié)論
通過上述研究和測試，可以得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論：
1) 本技術(shù)方案符合CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)對物理層信號傳輸特性的要求，能夠在不改變頂層協(xié)議的前提下，實(shí)現(xiàn)CAN 總線特有的多主非破壞逐位競爭機(jī)制；
2) 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對于光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)型，本研究光/電和電/光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，在同樣光纖長度條件下，本技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)較高的通信速率；
3) 采用集線器組網(wǎng)方式，只需增加集線器的端口數(shù)，就可以擴(kuò)展CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，且無總線負(fù)載匹配問題，故不會影響網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到的最高通信速率；
4) 采用基于波分復(fù)用雙向信息傳輸技術(shù)的收/發(fā)一體化光模塊單光纖連接方式，簡化了系統(tǒng)的構(gòu)型，減少了配置，便于組成更為復(fù)雜的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；
5) 光纖CAN 總線網(wǎng)絡(luò)具有免電磁干擾能力，極大地提高了CAN 總線網(wǎng)絡(luò)在惡劣電磁環(huán)境中的生存力、安全性和可靠性；消除了雙絞線網(wǎng)絡(luò)信號衰減和收發(fā)器負(fù)載能力差的固有缺陷，便于擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(節(jié)點(diǎn)數(shù)量)和提高通信速率。
參考文獻(xiàn)
[1] 《現(xiàn)場總線CAN 原理與應(yīng)用技術(shù)》饒運(yùn)濤等著(e
