一種CAN總線(xiàn)光纖傳輸接口設計

　　綜上所述，假設信號在光纖中的傳輸時(shí)間為t傳輸，信號傳輸中因光電轉換造成的延遲時(shí)間為t光電延遲，CAN節點(diǎn)同步及內部延遲為t內部延遲，則應滿(mǎn)足以下關(guān)系：

　　t傳輸+t光電延遲+t內部延遲

　　式中，對于給定長(cháng)度和波特率，光纖傳輸時(shí)間和節點(diǎn)內部延遲時(shí)間是確定的，因此要盡量縮短光電轉換的延遲時(shí)間，即對CAN信號編解碼算法提出了特殊要求，要盡量縮短編解碼的延遲時(shí)間。

　　3.2編碼、解碼方案

　　光纖傳輸中常采用的信號編碼有CMI碼、擾碼、8B/10B碼等。雖然這些編碼都能提供豐富的時(shí)鐘信息，但是由于CAN總線(xiàn)的總線(xiàn)仲裁是具有優(yōu)先級的非破壞性CSMA，這個(gè)特點(diǎn)決定了信號經(jīng)過(guò)編解碼后的延遲要盡可能得小。提出一種1B/16B編碼方法，編、解碼規則如下：

　?。?）編碼規則

　　邏輯1――1110101010101010

　　邏輯0――0001010101010101

　　具體做法是，用是待編碼比特流波特率16倍的時(shí)鐘頻率對其每位進(jìn)行采樣，每一位采樣16次，然后根據約定好的編碼規則進(jìn)行編碼。這樣就將原比特流的一位編碼成新的16位傳輸，每位的長(cháng)度是原來(lái)位時(shí)間的1/16，而總的位時(shí)間不變。編碼后的信號不會(huì )出現較長(cháng)的連1或連0（最長(cháng)的連1或連0為4位）。

　?。?）解碼規則

　　邏輯1――連續采樣3個(gè)1

　　邏輯0――連續采樣3個(gè)0

　　具體做法是，用是經(jīng)編碼后比特流波特率3倍的時(shí)鐘頻率對編碼后的信號進(jìn)行采樣（即一位采3次，取2次以上一樣的作為本次采樣最終結果）。如果連續采到3個(gè)1，則解碼輸出為1;如果連續采到3個(gè)0，則解碼輸出為0。

　　從1B/16B編碼、解碼方法可以看出，經(jīng)過(guò)編碼之后，CAN信號流中不存在長(cháng)時(shí)間的相同電平信號，有豐富的跳變沿供時(shí)鐘提取電路捕獲信號頻率;解碼時(shí)利用了編碼信號流中的特征碼，即連續3個(gè)以上的相同電平信號，采樣到連續的3個(gè)1或3個(gè)0就得到解碼結果。實(shí)際上，采用這種編解碼方法，一位編成為16位后，只有前3位是有用的信息，其余的都是冗余碼;但是這樣做可以縮短編解碼的延遲時(shí)間，以滿(mǎn)足CAN總線(xiàn)仲裁特性的要求。

　　3.3編碼、解碼器的實(shí)現

　　本設計中采用可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現對信號的編解碼，具體選用Altera公司的FLEX10K10系列FPGA;軟件開(kāi)發(fā)平臺使用的是QuartusII5.0和ModelsimSE5.8（第三方仿真工具）;開(kāi)發(fā)語(yǔ)言使用硬件描述語(yǔ)言VHDL。編碼、解碼器的硬件邏輯結構如圖5所示。

　　邏輯功能的波形仿真結果如圖6所示。

4實(shí)驗驗證

　　通過(guò)兩個(gè)CAN節點(diǎn)的通信實(shí)驗，驗證了該CAN光纖傳輸接口的正確性。實(shí)驗平臺結構如圖7所示。

　　CAN通信節點(diǎn)使用光纖介質(zhì)，與USB-CAN通信節點(diǎn)進(jìn)行通信，并在PC機上顯示通信情況。在CAN總線(xiàn)各波特率下進(jìn)行了兩個(gè)節點(diǎn)的收發(fā)實(shí)驗，結果證明該CAN光纖傳輸接口原理正確，具有可行性。實(shí)驗測得信號編、解碼以及光電轉換的延時(shí)時(shí)間（即t光電延遲），見(jiàn)表1。

5采用光纖對CAN總線(xiàn)通信性能的改善

　　下面結合上述光電轉換實(shí)驗所獲得的實(shí)驗數據，簡(jiǎn)要討論一下當使用光纖替代雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)后，CAN總線(xiàn)在通信性能上的改善。

　　在給定波特率下，光纖傳輸的最遠距離L與信號在光纖中的傳輸時(shí)間t傳輸之間滿(mǎn)足以下關(guān)系：

　　L=V光纖×t傳輸

　　式中：V光纖為信號在光纖中的傳播速度。電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為V=C/n（C為光速，n為介質(zhì)的折射率），光在光纖中的傳播速度近似為260m/μs，電磁波在雙絞線(xiàn)中的傳播速牢大致為200m/μs。這里取t內部延遲=0.4×t位時(shí)間，則可以估算出光纖傳輸時(shí)CAN總線(xiàn)的最大距離，如表2所列。采用光纖作為傳輸介質(zhì)，CAN總線(xiàn)的最大傳輸距離能夠提高約40%。

　　從表2中可以看，由于CAN總線(xiàn)通信速率較低及非破壞性總線(xiàn)仲裁的特點(diǎn)，使用光纖傳輸介質(zhì)，其傳輸距離的增加并不十分明顯，沒(méi)能充分發(fā)揮光纖傳輸大容量、遠距離的優(yōu)勢。但是使用光纖仍然有它巨大的潛力：

　?、儆捎谝话汶姶泡椛涞念l譜和光波的頻譜相距甚遠，它不會(huì )疊加到光信號上或混入光信號中，也很難進(jìn)入光纖芯內影響光信號的傳送。因此，光纖通信系統特別適合于在有強烈電磁干擾的地區或場(chǎng)合中使用，諸如電力系統、電氣化鐵道中的通信系統等。

　?、谟捎诠饫w的主要材料為二氧化硅，所以它比以銅為材料的電纜抗化學(xué)腐蝕和氧化等的性能強，即光纖的化學(xué)穩定性好，壽命長(cháng)，特別適宜在有腐蝕的區域（如化工廠(chǎng)等）使用。

　?、酃饫w的尺寸小，重量輕，因此，光纖通信系統特別適合在一些空間有限的地方使用，比如船艦、飛機、車(chē)輛、火箭、導彈等場(chǎng)合。這在國防軍事上有十分重要的意義。

結語(yǔ)

　　CAN總線(xiàn)應用范圍的日趨廣泛，能夠適應越來(lái)越復雜的環(huán)境，特別是一些強干擾、遠距離、地理分布不均、工作環(huán)境惡劣的應用場(chǎng)合。傳統的雙絞線(xiàn)已不能滿(mǎn)足需要，采用光纖介質(zhì)不但能解決這些問(wèn)題，而且給CAN總線(xiàn)應用帶來(lái)更大的靈活性。實(shí)現光纖傳輸的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是光纖傳輸接口的設計，本文提出了一種基于光纖收發(fā)一體模塊的接口方案 及其實(shí)現，并通過(guò)實(shí)驗驗證了設計的正確性，對于在CAN總線(xiàn)這樣速率較低的現場(chǎng)總線(xiàn)中使用光纖傳輸具有一定實(shí)用價(jià)值。