光纖CAN總線(xiàn)自愈環(huán)網(wǎng)的研究

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)CAN數據位周期中可對數據讀取多次，提高抗干擾能力。所以分頻器的功能為產(chǎn)生1MHz的時(shí)鐘頻率。

2．4 中心狀態(tài)機

依據CAN 2．0B協(xié)議，CAN網(wǎng)絡(luò )數據幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成，即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應答場(chǎng)、幀結束。數據場(chǎng)長(cháng)度可為0～8個(gè)字節。幀起始位是一個(gè)顯性位低電?quot;0；幀結束是由7個(gè)隱性位1組成的序列；在數據幀傳送中，使用位添充技術(shù)編碼，保證數據幀位流中不會(huì )出現5個(gè)連續的1或0。

中心控制狀態(tài)機是本設計的核心單元。中心狀態(tài)機的功能是：(1)，檢測CAN數據幀的幀起始和幀結束，產(chǎn)生相應的發(fā)送數據標志信號flag_txd、flag_r和flag_l。(2)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)標志sync_r和sync_l。中心狀態(tài)機由：三個(gè)狀態(tài)機組成：本節點(diǎn)CAN控制器狀態(tài)機、左通道狀態(tài)機和右通道狀態(tài)機。它們分別判別各通道(TX、PIN_L和PIN_R)是否有數據傳送。下面對各處狀態(tài)機的解釋均以本節點(diǎn)CAN控制器狀態(tài)機為例。

各狀態(tài)機設置了61個(gè)狀態(tài)， 即idle、S1、S2、S3…S60。當總線(xiàn)空閑時(shí)，狀態(tài)機處于空閑態(tài)idle，此時(shí)rxclk上沿到來(lái)，檢測到txd=0時(shí)，狀態(tài)機轉向S1，同時(shí)發(fā)送數據標志置位信號flag_txd=1；第二上沿時(shí)，狀態(tài)機無(wú)條件轉向S2；第三上沿時(shí)，狀態(tài)機無(wú)條件轉向S3；第四上沿時(shí)，狀態(tài)機無(wú)條件轉向S4；第五上沿到來(lái)時(shí)，此時(shí)是數據位的中央位置，數據穩定，對數據再次讀取，若txd=0的條件仍成立，表示幀起始到來(lái)，狀態(tài)機轉向S5；否則flag_txd=0，同時(shí)狀態(tài)機轉向空閑態(tài)idle，等待幀起始的到來(lái)。

當狀態(tài)機處于S5時(shí)，此后rxclk(1MHz)每過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期，狀態(tài)機狀態(tài)前進(jìn)一步(S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、……、S58、S59、S60)；每過(guò)8個(gè)時(shí)鐘周期，對CAN總線(xiàn)上的數據位進(jìn)行一次檢測(S12、S20、S28、S36、S44、S52、S60)，保證每次檢測在數據位(位周期)中央。當連續7次txd=1時(shí)，檢測到1表示幀結束到來(lái)，發(fā)送數據標志復位flag_txd=0，等待下一次幀起始的到來(lái)；否則狀態(tài)機返回狀態(tài)S5，等待幀結束的到來(lái)。

網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)sync_r、sync _l是進(jìn)行環(huán)網(wǎng)自愈的重要依據。如上所述，當左右通道發(fā)送數據狀態(tài)標志flag=1時(shí)，各通道網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)sync=1，網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl亮；當幀結束到來(lái)時(shí)，flag=0，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)計數群count，其時(shí)鐘為rxclk=1MHz，當計數器為30000時(shí)(30ms)，sync=0，網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl滅。這表示某數據幀傳輸后，如果再也檢測不到其它數據幀起始，則網(wǎng)絡(luò )出了故障。如果在30ms內能檢測到數據幀起始(flag置位)，網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)標志sync持續為1。 計數器達到滿(mǎn)值的時(shí)間應為估算的幀間最短時(shí)間間隔。

2．5 數據選擇器

發(fā)送數據選擇器和接收數據選擇器的功能是實(shí)現鏈路搭建(即通道選擇)。為保證網(wǎng)絡(luò )正常工作，CAN網(wǎng)絡(luò )延時(shí)應小于一個(gè)數據寬度(位周期)。為使鏈路搭建時(shí)間盡可能短，使用最高時(shí)鐘頻率(20MHz)控制兩個(gè)數據選擇器。

在發(fā)送數據選擇器中，CPLD檢測三路通道數據txd、pin_l、pin_r。各通道數據具有不同的優(yōu)先級。優(yōu)先級的設置為：當本節點(diǎn)發(fā)送數據(txd=0或flag_txd=1)時(shí)，左右通道發(fā)送CAN控制鞣⑺投薚X的數據，即led_r=txd，led_l=txd。若本節點(diǎn)不發(fā)送數據，則依據sync_r和sync_l選擇發(fā)送數據，當左右通道均正常時(shí)，選擇對側數據發(fā)送，led_r=pin_l，led_l=pin_r。如果某通道故障，接收不到對側數據，則選擇本側數據發(fā)送，led_l=pin_l，led_r=pin_r。據此，不僅實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )自愈，也消除了環(huán)網(wǎng)阻塞問(wèn)題。

在接收數據選擇器中，設定左通道為首選接收通道；當左通道數據未到時(shí)(flag_l=0)或左通道故障時(shí)，不需人為干預，自動(dòng)選擇右通道接收。據此實(shí)現了接收優(yōu)化(選擇優(yōu)先到達通道數據接收)以及光纖CAN總線(xiàn)雙環(huán)網(wǎng)的自愈功能。

在電動(dòng)車(chē)內組建光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)，采用塑料光纖作為傳輸介質(zhì)，塑料光纖在可見(jiàn)光區有低損耗窗口，選用工作波長(cháng)為650nm(紅光)的光／電轉換模塊--Agilent公司生產(chǎn)的光發(fā)送器HFBR-1528和光接收器HFBR--2528。各節點(diǎn)CAN控卸器選用SJAl000或帶CAN控制器的TMS320LF2407 DSP芯片，組成4個(gè)節點(diǎn)車(chē)載光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)。CAN網(wǎng)絡(luò )的數據傳送速率設置為125kbit／s，當設置某條通道故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò )能實(shí)現圖2(b)所不的自愈功能；當設置任意節點(diǎn)之間的兩根光纖故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò )能實(shí)現圖2(c)所示的自愈功能。當CAN節點(diǎn)故障時(shí)，接口電路仍能保證雙環(huán)網(wǎng)正常工作；但當接口電路故障時(shí)，將導致本節點(diǎn)脫離總線(xiàn)，其它節點(diǎn)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )自愈，構成單環(huán)網(wǎng)。通過(guò)示波器觀(guān)測波形，發(fā)送節點(diǎn)通過(guò)總線(xiàn)競爭發(fā)送數據；接收節點(diǎn)能向總線(xiàn)上發(fā)送應答信號；節點(diǎn)數據通過(guò)4節點(diǎn)光纖CAN自愈環(huán)返回原節點(diǎn)的時(shí)間小于100ns。經(jīng)測試，通道故障網(wǎng)絡(luò )自愈時(shí)間為301ms