光纖CAN總線自愈環網的研究

光纖CAN總線自愈環網的研究

 摘要：介紹了光纖單CAN網絡的工作特點及其不足。為提高光纖CAN網絡的生存性，設計了光纖CAN總線自愈環網。采用塑料地（POF）為傳輸介質，用波長為650nm的紅光光電收發器件實現光/電轉換。分析了CAN網絡數據幀的結構特點，給出了基于CPLD的自愈接口電路的實現方法。通過組建車載光纖CAN總線自愈環網，證明該網絡不但具有自愈功能，還能消除光纖CAN環形網絡中的阻塞現象。

    關鍵詞：CAN 自愈環 CPLD 接口電路 塑料光纖

CAN總線是德國Bosch公司于20世紀80年代初為解決汽車中眾多數據交換而開發的一種串行數據通信協議。由于其具有卓越的特性，CAN總線成為目前公認的幾種最有前途的現場總線之一。CAN總線的傳輸介質可以是雙絞線、光纖和同軸電纜。目前雙絞線CAN總線已得到了廣泛應用，各項技術已經成熟。雙絞線CAN網絡在技術在容易實現、造價低廉，且對環境電磁輻射有一定抑制能力。但是當工作環境特別復雜時，其抗干擾能力并不十分令人滿意。如在電動汽車現場，情況較為復雜，車載電氣系統會產生強電磁干擾，將導致雙絞線CAN網絡不能正常工作。與雙絞線和同軸電纜相比，光纖的優越性能--強大的抗EMI能力引起人們的關注。為進一步提高CAN網絡的性能，應采用光纖作傳輸介質。由于車載局域網傳送距離短，同時為了降低車載光纖CAN網絡的成本，可選用塑料光纖(POF)作為傳輸介質。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構筑車內局域網。

光纖CAN網作為一種工業底層控制局域網，其拓撲結構與常用局域網一樣，基本拓撲結構有總線形、環形和暈形。在光纖單環CAN網絡中，由于器件的延時將導致環路信號自激，使環形CAN網絡堵塞(或稱為鎖死)。為遵守CAN總線控制器在鏈路層的協議，應設計一種光纖CAN單環網專用邏輯控制單元LCU。該單元的功能是：對CAN總線數據實現收發控制，即主節點對接收到的數據不轉發，當數據沿光纖環回到原發送節點時，立即被剔除；從節點對接收數據實現轉發。同時還可消除環形光纖CAN總線網絡的自激現象，保證環網不被堵塞。

Q光纖單環網絡中，節點或鏈路的故障可能造成網絡的癱瘓。為了提高光纖環網的生存性，應構成具有自愈功能的光纖雙環自愈網。

圖1

1 光纖自愈環CAN網總體設計

1．1 光纖自愈環結構

光纖自愈環CAN網絡如圖1所示。該網絡有兩條光纖環路--順時針環和逆時針環，各節點CAN控制器SJAl000通過接口電路與雙環光纖網相連，接口電路由Altera公司出產的復雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發送器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CAN網接口電路的功能是：(1)當光纖雙環通信正常時(如圖2(a)所示)，各節點右端光發送器 LEDR傳送左端光接收器PINL的數據，信號順時針傳送；同理LEDL傳送PINR的數據，信號逆時針傳送，即發送器選擇對側數據轉發。(2)當單根光纖故障時(如圖2(b)所示)，下游C節點接口電路實現環回，由于左側光接收器PINL無信號，右端光發送器LEDR選擇同側光接收器PINR數據轉發。(3)當任意節點間兩根光纖故障時(如圖2(c)所以)，如BC節點間光纖被切斷時，則B、C兩個節點與光纖切斷點相連執行環回功能。此時，從A到C的信號AC則先經順時針環到B，再經逆時針環過A、D后到達C。而信號CA則仍經順時針環傳輸。這種自愈功能保證在故障情況下仍能維持環的連續性。故障排除后，倒換開關自動返回原來位置。(4)實現節點CAN控制器數據選擇接收。其原則為：對于各節點接收的順、逆時針數據，選擇PINL、PINR中先到達的數據接收。(5)實現節點數據選擇發送。其原則為：當總線空閑時，選擇本節點CAN控制器發送端TX發送數據，可消除環形光纖CAN總線網絡的自激現象，保證環網不被堵塞；當本節點CAN控制器為接收節點時，選擇對側數據發送；當本節點CAN控制器為接收節點時，且對側光纖通道故障，則選擇同側數據發送。(6)判別各通道幀起始和幀結束，鑒別總線是否空閑，網絡是否故障。如判斷到左測光接收器PINL有數據幀正在傳送時，產生左側發送數據標志flag_l和網絡通信狀態標志sync_l。

2 接口電路設計

光纖CAN自愈網的自愈功能及收發控制功能由可編程邏輯器件(ALTERA EPM7128SLC84一15)實現，編程采用VHDL語言。下面進行具體介紹。

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痙制器的數據發送端TX、接收端RX相連；flag_txd=1代表本節點CAN控制器TX0正在發送數據幀；flag_l=1代表左側通道正在發送數據幀；flag__r=1代表右側通道正在發送單據幀。sync_l為左側網絡通信狀態標志，sync_r為右側網絡通信狀態標志。當左通道正常時，輸出sync_1="l"，驅動網絡狀態發光二極管D_sl亮；當右通道正常時，輸出sync_r="1"，驅動網絡狀態發光二極管D_sr亮；若網絡狀態發光二極管D_sr或D_sl滅，表示網絡對應光纖通道出了故障。當本節點CAN控制器選擇左通道數據接收時，輸出端rx_l／r為高電平；當本節點CAN控制器選擇右通道數

據接收時，輸出端rx_l／r為低電平。輸入端reset為復位端，低電平有效；clk0為時鐘輸入端，輸入時鐘的頻率為20MHz。

圖2

    2．2 CPLD功能結構

CPLD為控制環網自愈接口單元，控制電路由分頻器、中心狀態機、發送數據選擇器、接收數據選擇器組成，如圖4所示。

2．3 分頻器

通訊接口CPLD時鐘頻率為20MHz。在光纖CAN自愈環網中，各節點CAN控制器SJAl000和CPLD接口采用獨立的工作時鐘。為使狀態機產生的flag的信號與CAN控制器數據傳送同步，以保證兩個數據選擇器的切換和數據傳送同步，應正確選擇狀態機的時鐘。本文中CAN網數據傳送波特率是125kbit／s，狀態．機時鐘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生1MHz的時鐘頻率。

2．4 中心狀態機

依據CAN 2．0B協議，CAN網絡數據幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、應答場、幀結束。數據場長度可為0～8個字節。幀起始位是一個顯性位低電?quot;0"；幀結束是由7個隱性位"1"組成的序列；在數據幀傳送中，使用位添充技術編碼，保證數據幀位流中不會出現5個連續的"1''或''0"。

中心控制狀態機是本設計的核心單元。中心狀態機的功能是：(1)，檢測CAN數據幀的幀起始和幀結束，產生相應的發送數據標志信號flag_txd、flag_r和flag_l。(2)產生網絡通信狀態標志sync_r和sync_l。中心狀態機由：三個狀態機組成：本節點CAN控制器狀態機、左通道狀態機和右通道狀態機。它們分別判別各通道(TX、PIN_L和PIN_R)是否有數據傳送。下面對各處狀態機的解釋均以本節點CAN控制器狀態機為例。
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    各狀態機設置了61個狀態， 即idle、S1、S2、S3…S60。當總線空閑時，狀態機處于空閑態idle，此時rxclk上沿到來，檢測到txd=0時，狀態機轉向S1，同時發送數據標志置位信號flag_txd="1"；第二上沿時，狀態機無條件轉向S2；第三上沿時，狀態機無條件轉向S3；第四上沿時，狀態機無條件轉向S4；第五上沿到來時，此時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，狀態機轉向S5；否則flag_txd="0"，同時狀態機轉向空閑態idle，等待幀起始的到來。

當狀態機處于S5時，此后rxclk(1MHz)每過一個時鐘周期，狀態機狀態前進一步(S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、……、S58、S59、S60)；每過8個時鐘周期，對CAN總線上的數據位進行一次檢測(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，檢測到"1"表示"幀結束''到來，發送數據標志復位flag_txd="0"，等待下一次幀起始的到來；否則狀態機返回狀態S5，等待幀結束的到來。

網絡通信狀態sync_r、sync _l是進行環網自愈的重要依據。如上所述，當左右通道發送數據狀態標志flag="1''時，各通道網絡通信狀態sync="1"，網絡狀態發光二極管D_sr、D_sl亮；當幀結束到來時，flag="0"，啟動網絡通信狀態計數群count，其時鐘為rxclk=1MHz，當計數器為30000時(30ms)，sync="0"，網絡狀態發光二極管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，則網絡出了故障。如果在30ms內能檢測到數據幀起始(flag置位)，網絡通信狀態標志sync持續為"1"。 計數器達到滿值的時間應為估算的幀間最短時間間隔。

2．5 數據選擇器

發送數據選擇器和接收數據選擇器的功能是實現鏈路搭建(即通道選擇)。為保證網絡正常工作，CAN網絡延時應小于一個數據寬度(位周期)。為使鏈路搭建時間盡可能短，使用最高時鐘頻率(20MHz)控制兩個數據選擇器。

在發送數據選擇器中，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先級。優先級的設置為：當本節點發送數據(txd="0"或flag_txd="1'')時，左右通道發送CAN控制鞣⑺投薚X的數據，即led_r=txd，led_l=txd。若本節點不發送數據，則依據sync_r和sync_l選擇發送數據，當左右通道均正常時，選擇對側數據發送，led_r=pin_l，led_l=pin_r。如果某通道故障，接收不到對側數據，則選擇本側數據發送，led_l=pin_l，led_r=pin_r。據此，不僅實現了網絡自愈，也消除了環網阻塞問題。

    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(flag_l="0'')或左通道故

障時，不需人為干預，自動選擇右通道接收。據此實現了接收優化(選擇優先到達通道數據接收)以及光纖CAN總線雙環網的自愈功能。

在電動車內組建光纖CAN自愈環網，采用塑料光纖作為傳輸介質，塑料光纖在可見光區有低損耗窗口，選用工作波長為650nm(紅光)的光／電轉換模塊--Agilent公司生產的光發送器HFBR-1528和光接收器HFBR--2528。各節點CAN控卸器選用SJAl000或帶CAN控制器的TMS320LF2407 DSP芯片，組成4個節點車載光纖CAN自愈環網。CAN網絡的數據傳送速率設置為125kbit／s，當設置某條通道故障時，網絡能實現圖2(b)所不的自愈功能；當設置任意節點之間的兩根光纖故障時，網絡能實現圖2(c)所示的自愈功能。當CAN節點故障時，接口電路仍能保證雙環網正常工作；但當接口電路故障時，將導致本節點脫離總線，其它節點實現網絡自愈，構成單環網。通過示波器觀測波形，發送節點通過總線競爭發送數據；接收節點能向總線上發送應答信號；節點數據通過4節點光纖CAN自愈環返回原節點的時間小于100ns。經測試，通道故障網絡自愈時間為301ms。

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