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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(luò)的工作特點(diǎn)及其不足。為提高光纖CAN網(wǎng)絡(luò)的生存性，設(shè)計(jì)了光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)。采用塑料地（POF）為傳輸介質(zhì)，用波長為650nm的紅光光電收發(fā)器件實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換。分析了CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了基于CPLD的自愈接口電路的實(shí)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(luò)不但具有自愈功能，還能消除光纖CAN環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的阻塞現(xiàn)象。CAN總線是德國Bosch公司于20世紀(jì)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(rèn)的幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線的傳輸介質(zhì)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(yīng)用，各項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟。雙絞線CAN網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)在容易實(shí)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(dāng)工作環(huán)境特別復(fù)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(fù)雜，車載電氣系統(tǒng)會產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，將導(dǎo)致雙絞線CAN網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)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(yīng)采用光纖作傳輸介質(zhì)。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(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"BMW7系列''中采用于50m POF構(gòu)筑車內(nèi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)與常用局域網(wǎng)一樣，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線形、環(huán)形和暈形。在光纖單環(huán)CAN網(wǎng)絡(luò)中，由于器件的延時將導(dǎo)致環(huán)路信號自激，使環(huán)形CAN網(wǎng)絡(luò)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(yīng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)收發(fā)控制，即主節(jié)點(diǎn)對接收到的數(shù)據(jù)不轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)沿光纖環(huán)回到原發(fā)送節(jié)點(diǎn)時，立即被剔除；從節(jié)點(diǎn)對接收數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。同時還可消除環(huán)形光纖CAN總線網(wǎng)絡(luò)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(luò)中，節(jié)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(yīng)構(gòu)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(shè)計(jì)
1．1 光纖自愈環(huán)結(jié)構(gòu)
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--順時針環(huán)和逆時針環(huán)，各節(jié)點(diǎn)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(chǎn)的復(fù)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(dāng)光纖雙環(huán)通信正常時(如圖2(a)所示)，各節(jié)點(diǎn)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(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(2)當(dāng)單根光纖故障時(如圖2(b)所示)，下游C節(jié)點(diǎn)接口電路實(shí)現(xiàn)環(huán)回，由于左側(cè)光接收器PINL無信號，右端光發(fā)送器LEDR選擇同側(cè)光接收器PINR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(3)當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)間兩根光纖故障時(如圖2(c)所以)，如BC節(jié)點(diǎn)間光纖被切斷時，則B、C兩個節(jié)點(diǎn)與光纖切斷點(diǎn)相連執(zhí)行環(huán)回功能。此時，從A到C的信號AC則先經(jīng)順時針環(huán)到B，再經(jīng)逆時針環(huán)過A、D后到達(dá)C。而信號CA則仍經(jīng)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(guān)自動返回原來位置。(4)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)CAN控制器數(shù)據(jù)選擇接收。其原則為：對于各節(jié)點(diǎn)接收的順、逆時針數(shù)據(jù)，選擇PINL、PINR中先到達(dá)的數(shù)據(jù)接收。(5)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇發(fā)送。其原則為：當(dāng)總線空閑時，選擇本節(jié)點(diǎn)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(luò)的自激現(xiàn)象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞；當(dāng)本節(jié)點(diǎn)CAN控制器為接收節(jié)點(diǎn)時，選擇對側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送；當(dāng)本節(jié)點(diǎn)CAN控制器為接收節(jié)點(diǎn)時，且對側(cè)光纖通道故障，則選擇同側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送。(6)判別各通道幀起始和幀結(jié)束，鑒別總線是否空閑，網(wǎng)絡(luò)是否故障。如判斷到左測光接收器PINL有數(shù)據(jù)幀正在傳送時，產(chǎn)生左側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志flag_l和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)標(biāo)志sync_l。
2 接口電路設(shè)計(jì)
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(xiàn)，編程采用VHDL語言。下面進(jìn)行具體介紹。
2．1 輸入輸出口設(shè)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(zhuǎn)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(diǎn)CAN控制器TX0正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀；flag_l=1代表左側(cè)通道正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀；flag__r=1代表右側(cè)通道正在發(fā)送單據(jù)幀。sync_l為左側(cè)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)標(biāo)志，sync_r為右側(cè)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)標(biāo)志。當(dāng)左通道正常時，輸出sync_1="l"，驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sl亮；當(dāng)右通道正常時，輸出sync_r="1"，驅(qū)動網(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(yīng)光纖通道出了故障。當(dāng)本節(jié)點(diǎn)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(dāng)本節(jié)點(diǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)
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(jī)、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(diǎn)CAN控制器SJAl000和CPLD接口采用獨(dú)立的工作時鐘。為使?fàn)顟B(tài)機(jī)產(chǎn)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(yīng)正確選擇狀態(tài)機(jī)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(jī)時鐘rxclk的速率設(shè)計(jì)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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