光纖CAN總線集線器及其組網(wǎng)研究

1 引言

CAN是一種采用無破壞性位競爭機(jī)制實現(xiàn)串行多主通信的現(xiàn)場總線。由于具有抗干擾能力強(qiáng)、報文短、實時性好和組網(wǎng)成本低等優(yōu)點，CAN總線被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境惡劣、電磁輻射大、對可靠性要求高的工業(yè)自動化現(xiàn)場和汽車部件控制等領(lǐng)域。

最常用的CAN總線物理層傳輸介質(zhì)是雙絞線。ISO11898-2定義了以雙絞線為介質(zhì)的高速CAN總線物理層標(biāo)準(zhǔn)。在CAN總線中，網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)的最高速率與總線的尺寸有關(guān)。例如當(dāng)線纜長度不大于40 m時可實現(xiàn)的最高速率為1 Mb/s。實際使用時，以下幾個原因會造成最高可實現(xiàn)速率的下降：

1)總線上接入的節(jié)點過多造成總線參數(shù)失配;

2)節(jié)點上加裝的過壓過流保護(hù)電路造成總線參數(shù)失配;

3)節(jié)點的地域分布過大，太長的電纜造成總線參數(shù)失配。此外，當(dāng)總線的工作環(huán)境過于惡劣，如節(jié)點間的共模電位差超出物理層收發(fā)器件允許的最大值時，總線也不能正常工作。

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

據(jù)有關(guān)資料報道光纖在CAN總線中的應(yīng)用主要有以下幾種方案：

1)單節(jié)點光纖隔離方案：該方案類似于用光收發(fā)器和光纖對替換圖l中1#節(jié)點中的一對光隔，解決超高電壓等惡劣環(huán)境中單個節(jié)點的遠(yuǎn)距離隔離問題一剖。2) 中繼器方案：該方案中的2個雙絞線CAN總線子網(wǎng)通過2臺CAN中繼器和1對光纖對相連。經(jīng)特別設(shè)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(xiàn)象。

3)環(huán)型組網(wǎng)方案：文獻(xiàn)[9一12]介紹了構(gòu)建CAN總線光纖環(huán)網(wǎng)和自愈環(huán)網(wǎng)的方法。這類環(huán)網(wǎng)主要適用于地域較廣、接入節(jié)點較少和網(wǎng)速較低的場合。這類環(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)堵塞的問題。此外環(huán)網(wǎng)案也不便于與雙絞線CAN總線子網(wǎng)實現(xiàn)級聯(lián)擴(kuò)展。

4)星型組網(wǎng)方案：文獻(xiàn)[13]介紹了一個簡單的4節(jié)點星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光纖CAN網(wǎng)絡(luò)。文中并未對構(gòu)成星型光纖CAN網(wǎng)絡(luò)的一般工作原理、設(shè)計方法和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展等問題展開討論。

本文在簡述了雙絞線CAN總線物理層的工作原理和主要特點基礎(chǔ)之上，提出了一種基于光纖CAN總線集線器的具有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的CAN總線組網(wǎng)方案。詳細(xì)介紹了光纖CAN集線器的設(shè)計方法和工作原理，討論了2種基于集線器的級聯(lián)擴(kuò)展組網(wǎng)方法。實際設(shè)計了一個八口的集線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 雙絞線介質(zhì)CAN總線物理層的特點

圖1是n個節(jié)點構(gòu)成的雙絞線介質(zhì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。圖中各節(jié)點中的微處理器未畫出，節(jié)點CAN控制器通過光隔(也可以不用光隔)與CAN收發(fā)器相連后接到雙絞線CANH、CANL上。CAN網(wǎng)絡(luò)物理層中的Medium Dependent Interface和Physical Medium Attachment兩個子層由CAN收發(fā)器實現(xiàn);Physical Signaling子層則在CAN控制器中實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層(包括LLC和MAC兩個子層)也在CAN控制器中實現(xiàn)。

根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)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(yīng)地總線上差分電壓Vcanh-Vcaml>0定義為“顯性”位，Vcanh-Vcaml<=0定義為“隱性”位。

當(dāng)多個節(jié)點競爭總線控制權(quán)時，發(fā)送節(jié)點發(fā)出的總線仲裁位(ID號)信號在總線上與其他節(jié)點發(fā)送的位信號“線與”后，送到各個節(jié)點的控制器的RX端(也包括發(fā)送節(jié)點本身)，保證所有節(jié)點都能監(jiān)聽到總線上的狀態(tài)。在總線上(由CAN收發(fā)器完成)“隱性”位與“顯性”位“線與”的結(jié)果為“顯性”位;“隱性”位與 “隱性”位“線與”仍然為“隱性”位，保證了CAN總線多主無破壞性的位競爭總線仲裁機(jī)制在CAN控制器中的實現(xiàn)。

此外、由于CAN總線報文固有的位仲裁、應(yīng)答位和錯誤幀傳輸機(jī)制，數(shù)據(jù)位信號的傳輸方向即使在同一數(shù)據(jù)幀內(nèi)也會發(fā)生變化，因此出現(xiàn)在總線上的每一位數(shù)據(jù)位必須在規(guī)定的時間內(nèi)被總線上的所有節(jié)點(包括發(fā)送節(jié)點本身)正確接收，通信才可正常進(jìn)行。這一特點也決定了CAN總線的網(wǎng)絡(luò)半徑與通信速率成反比的關(guān)系。

綜上所述雙絞線介質(zhì)CAN總線收發(fā)器完成物理層信號傳輸工作的3個主要特點為：

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

2)多節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時要能實現(xiàn)位信號的“線與”;

3)所有節(jié)點(包括發(fā)送節(jié)點)在任何時刻都必須能監(jiān)聽到總線上的位信號。

3 光纖CAN總線集線器結(jié)構(gòu)及其工作原理

采用光纖介質(zhì)構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)時，保留圖1所示節(jié)點中的CAN控制器，將雙絞線CAN的物理層(包括光隔、CAN收發(fā)器和雙絞線)用光收發(fā)模塊、光纖和能夠?qū)崿F(xiàn)位信號“線與”的部件替換。新構(gòu)成的物理層仍然需要滿足上述CAN總線信號傳輸?shù)?個特點。

圖2是本文提出的一種基于光纖CAN總線集線器的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。集線器具有n個光口和1個電擴(kuò)展口。每個光口都有1對光電轉(zhuǎn)換模塊PIN和電光轉(zhuǎn)換模塊 LED，并通過l對光纖分別與光節(jié)點中的LED模塊和PIN模塊相連。光節(jié)點中只有CAN總線控制器(其他與CAN無關(guān)部分未畫出)，其輸入腳RX接 PIN的輸出端，其輸出腳TX接LED的輸入端。集線器也可通過電口擴(kuò)展電路與1個2對雙絞線構(gòu)成的CAN總線子網(wǎng)相連。

集線器的原理框圖(虛線框內(nèi))如圖3所示，由一片復(fù)雜可編程器件CPLD、n個光電轉(zhuǎn)換模塊PIN、n個電光轉(zhuǎn)換模塊LED和電擴(kuò)展口電路構(gòu)成。n個 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LED的輸入端。

電口擴(kuò)展電路由CAN收發(fā)器1、CAN收發(fā)器2、光隔1和光隔2構(gòu)成，并通過2對雙絞線與外部相連。收發(fā)器1只工作在接收狀態(tài)(TXl接“隱性”電平)，從雙絞線1#(CANH1，CANL1)接收到的信號經(jīng)過收發(fā)器l和光隔1后達(dá)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)過光隔2和收發(fā)器2后到達(dá)雙絞線2#(CANH2，CANL2)。[!--empirenews.page--]

在CPLD的引腳TX(1)-TX(n+1)和RX(1)-RX(n+1)處，仍然定義“隱性”位和“顯性”位分別對應(yīng)高電平和低電平。結(jié)合LED和 PIN模塊的驅(qū)動特點，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)匦盘柗聪?，可設(shè)計光纖中有光信號傳輸時對應(yīng)“顯性”位;無光信號傳輸時對應(yīng)“隱性”位。如此設(shè)計實現(xiàn)了上述CAN信號傳輸?shù)牡?個特點。

集線器中CPLD主要實現(xiàn)上述CAN信號傳輸?shù)牡?、3兩個特點。其邏輯按下列n+1個ABEL語言方程組設(shè)計實現(xiàn)。

TX(i)=RX(1)&RX(2)&...&RX(n)&Rx(n+1)(1)

式中：i=1～(n+1)。程式組(1)的含義是各個節(jié)點送入CPLD中的n+1個信號RX(1)，RX(2)，...，RX(/9,)，RX(n+1) 全部相“與”后，再從n+1個輸出腳TX(1)，TX(2)，...，TX(n)，TX(n+1)送回各個節(jié)點。即采用CPLD的邏輯“與”實現(xiàn)了雙絞線的“線與”功能;將邏輯“與”后的信號送回保證了總線上各節(jié)點可在任何時刻監(jiān)聽到總線上的數(shù)據(jù)位信號。

這樣設(shè)計的光纖CAN總線的物理層也具有前面總結(jié)的CAN總線信號傳輸?shù)?個特點，故可以保證在其物理層之上與CAN總線原有的標(biāo)準(zhǔn)完令兼容。

還需說明的是當(dāng)集線器的第i個光口懸空未用或光纜意外故障斷開時，對應(yīng)的PIN無光信號輸入(傳輸?shù)氖?ldquo;隱性”位)，CPLD的輸入腳RX(i)=“1”，也為“隱性”電平，故不會影響方程式組(1)的“與”效果，不會阻塞影響其他節(jié)點的正常通信。