光纖CAN總線(xiàn)集線(xiàn)器及其組網(wǎng)研究

1 引言

CAN是一種采用無(wú)破壞性位競爭機制實(shí)現串行多主通信的現場(chǎng)總線(xiàn)。由于具有抗干擾能力強、報文短、實(shí)時(shí)性好和組網(wǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，CAN總線(xiàn)被廣泛地應用于環(huán)境惡劣、電磁輻射大、對可靠性要求高的工業(yè)自動(dòng)化現場(chǎng)和汽車(chē)部件控制等領(lǐng)域。

最常用的CAN總線(xiàn)物理層傳輸介質(zhì)是雙絞線(xiàn)。ISO11898-2定義了以雙絞線(xiàn)為介質(zhì)的高速CAN總線(xiàn)物理層標準。在CAN總線(xiàn)中，網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現的最高速率與總線(xiàn)的尺寸有關(guān)。例如當線(xiàn)纜長(cháng)度不大于40 m時(shí)可實(shí)現的最高速率為1 Mb/s。實(shí)際使用時(shí)，以下幾個(gè)原因會(huì )造成最高可實(shí)現速率的下降：

1)總線(xiàn)上接入的節點(diǎn)過(guò)多造成總線(xiàn)參數失配;

2)節點(diǎn)上加裝的過(guò)壓過(guò)流保護電路造成總線(xiàn)參數失配;

3)節點(diǎn)的地域分布過(guò)大，太長(cháng)的電纜造成總線(xiàn)參數失配。此外，當總線(xiàn)的工作環(huán)境過(guò)于惡劣，如節點(diǎn)間的共模電位差超出物理層收發(fā)器件允許的最大值時(shí)，總線(xiàn)也不能正常工作。

光纖通信具有速率高、抗電磁干擾能力強等一系列優(yōu)點(diǎn)，但目前國際上還沒(méi)有制定出以光纖為傳輸介質(zhì)的CAN總線(xiàn)物理層標準。因此研究光纖CAN總線(xiàn)的組網(wǎng)方法，解決CAN總線(xiàn)的大容量和遠距離組網(wǎng)問(wèn)題。對促進(jìn)新標準的形成具有十分重要的意義。

據有關(guān)資料報道光纖在CAN總線(xiàn)中的應用主要有以下幾種方案：

1)單節點(diǎn)光纖隔離方案：該方案類(lèi)似于用光收發(fā)器和光纖對替換圖l中1#節點(diǎn)中的一對光隔，解決超高電壓等惡劣環(huán)境中單個(gè)節點(diǎn)的遠距離隔離問(wèn)題一剖。2) 中繼器方案：該方案中的2個(gè)雙絞線(xiàn)CAN總線(xiàn)子網(wǎng)通過(guò)2臺CAN中繼器和1對光纖對相連。經(jīng)特別設計的中繼器能抑制互聯(lián)環(huán)路中信號的自發(fā)自收造成自激阻塞網(wǎng)絡(luò )現象。

3)環(huán)型組網(wǎng)方案：文獻[9一12]介紹了構建CAN總線(xiàn)光纖環(huán)網(wǎng)和自愈環(huán)網(wǎng)的方法。這類(lèi)環(huán)網(wǎng)主要適用于地域較廣、接入節點(diǎn)較少和網(wǎng)速較低的場(chǎng)合。這類(lèi)環(huán)網(wǎng)也存在信號傳輸環(huán)路，故也存在有可能自激造成網(wǎng)絡(luò )堵塞的問(wèn)題。此外環(huán)網(wǎng)案也不便于與雙絞線(xiàn)CAN總線(xiàn)子網(wǎng)實(shí)現級聯(lián)擴展。

4)星型組網(wǎng)方案：文獻[13]介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的4節點(diǎn)星型拓撲結構的光纖CAN網(wǎng)絡(luò )。文中并未對構成星型光纖CAN網(wǎng)絡(luò )的一般工作原理、設計方法和網(wǎng)絡(luò )擴展等問(wèn)題展開(kāi)討論。

本文在簡(jiǎn)述了雙絞線(xiàn)CAN總線(xiàn)物理層的工作原理和主要特點(diǎn)基礎之上，提出了一種基于光纖CAN總線(xiàn)集線(xiàn)器的具有星型拓撲結構的CAN總線(xiàn)組網(wǎng)方案。詳細介紹了光纖CAN集線(xiàn)器的設計方法和工作原理，討論了2種基于集線(xiàn)器的級聯(lián)擴展組網(wǎng)方法。實(shí)際設計了一個(gè)八口的集線(xiàn)器并對其通信性能進(jìn)行了初步測試，驗證了這種組網(wǎng)方案的可行性。

2 雙絞線(xiàn)介質(zhì)CAN總線(xiàn)物理層的特點(diǎn)

圖1是n個(gè)節點(diǎn)構成的雙絞線(xiàn)介質(zhì)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構圖。圖中各節點(diǎn)中的微處理器未畫(huà)出，節點(diǎn)CAN控制器通過(guò)光隔(也可以不用光隔)與CAN收發(fā)器相連后接到雙絞線(xiàn)CANH、CANL上。CAN網(wǎng)絡(luò )物理層中的Medium Dependent Interface和Physical Medium Attachment兩個(gè)子層由CAN收發(fā)器實(shí)現;Physical Signaling子層則在CAN控制器中實(shí)現。數據鏈路層(包括LLC和MAC兩個(gè)子層)也在CAN控制器中實(shí)現。

根據有關(guān)標準的規定，CAN控制器和收發(fā)器引腳TX和RX處的“隱性”位和“顯性”位的信號電平分別定義為高電平“1”和低電平“0”。相應地總線(xiàn)上差分電壓Vcanh-Vcaml>0定義為“顯性”位，Vcanh-Vcaml=0定義為“隱性”位。

當多個(gè)節點(diǎn)競爭總線(xiàn)控制權時(shí)，發(fā)送節點(diǎn)發(fā)出的總線(xiàn)仲裁位(ID號)信號在總線(xiàn)上與其他節點(diǎn)發(fā)送的位信號“線(xiàn)與”后，送到各個(gè)節點(diǎn)的控制器的RX端(也包括發(fā)送節點(diǎn)本身)，保證所有節點(diǎn)都能監聽(tīng)到總線(xiàn)上的狀態(tài)。在總線(xiàn)上(由CAN收發(fā)器完成)“隱性”位與“顯性”位“線(xiàn)與”的結果為“顯性”位;“隱性”位與 “隱性”位“線(xiàn)與”仍然為“隱性”位，保證了CAN總線(xiàn)多主無(wú)破壞性的位競爭總線(xiàn)仲裁機制在CAN控制器中的實(shí)現。

此外、由于CAN總線(xiàn)報文固有的位仲裁、應答位和錯誤幀傳輸機制，數據位信號的傳輸方向即使在同一數據幀內也會(huì )發(fā)生變化，因此出現在總線(xiàn)上的每一位數據位必須在規定的時(shí)間內被總線(xiàn)上的所有節點(diǎn)(包括發(fā)送節點(diǎn)本身)正確接收，通信才可正常進(jìn)行。這一特點(diǎn)也決定了CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )半徑與通信速率成反比的關(guān)系。

綜上所述雙絞線(xiàn)介質(zhì)CAN總線(xiàn)收發(fā)器完成物理層信號傳輸工作的3個(gè)主要特點(diǎn)為：

1)在CAN控制器的引腳TX、RX處和總線(xiàn)上合理地定義“隱性”位和“顯性”位的信號電平;

2)多節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)要能實(shí)現位信號的“線(xiàn)與”;

3)所有節點(diǎn)(包括發(fā)送節點(diǎn))在任何時(shí)刻都必須能監聽(tīng)到總線(xiàn)上的位信號。

3 光纖CAN總線(xiàn)集線(xiàn)器結構及其工作原理

采用光纖介質(zhì)構成CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，保留圖1所示節點(diǎn)中的CAN控制器，將雙絞線(xiàn)CAN的物理層(包括光隔、CAN收發(fā)器和雙絞線(xiàn))用光收發(fā)模塊、光纖和能夠實(shí)現位信號“線(xiàn)與”的部件替換。新構成的物理層仍然需要滿(mǎn)足上述CAN總線(xiàn)信號傳輸的3個(gè)特點(diǎn)。

圖2是本文提出的一種基于光纖CAN總線(xiàn)集線(xiàn)器的組網(wǎng)結構圖。集線(xiàn)器具有n個(gè)光口和1個(gè)電擴展口。每個(gè)光口都有1對光電轉換模塊PIN和電光轉換模塊 LED，并通過(guò)l對光纖分別與光節點(diǎn)中的LED模塊和PIN模塊相連。光節點(diǎn)中只有CAN總線(xiàn)控制器(其他與CAN無(wú)關(guān)部分未畫(huà)出)，其輸入腳RX接 PIN的輸出端，其輸出腳TX接LED的輸入端。集線(xiàn)器也可通過(guò)電口擴展電路與1個(gè)2對雙絞線(xiàn)構成的CAN總線(xiàn)子網(wǎng)相連。

集線(xiàn)器的原理框圖(虛線(xiàn)框內)如圖3所示，由一片復雜可編程器件CPLD、n個(gè)光電轉換模塊PIN、n個(gè)電光轉換模塊LED和電擴展口電路構成。n個(gè) PIN的輸出接CPLD的輸入腳RX(1)?RX(n);CPLD的輸出腳TX(1)?TX(n)接各個(gè)LED的輸入端。

電口擴展電路由CAN收發(fā)器1、CAN收發(fā)器2、光隔1和光隔2構成，并通過(guò)2對雙絞線(xiàn)與外部相連。收發(fā)器1只工作在接收狀態(tài)(TXl接“隱性”電平)，從雙絞線(xiàn)1#(CANH1，CANL1)接收到的信號經(jīng)過(guò)收發(fā)器l和光隔1后達到CPLD的RX(n+1)腳;收發(fā)器2只工作在發(fā)送狀態(tài)(RX2懸空)，從CPLD的TX(n+1)腳發(fā)出的信號經(jīng)過(guò)光隔2和收發(fā)器2后到達雙絞線(xiàn)2#(CANH2，CANL2)。