光纤CAN总线自愈环网的研究

　　摘要：介绍了光纤单CAN网络的工作特点及其不足。为提高光纤CAN网络的生存性，设计了光纤CAN总线自愈环网。采用塑料地（POF）为传输介质，用波长为650nm的红光光电收发器件实现光/电转换。分析了CAN网络数据帧的结构特点，给出了基于CPLD的自愈接口电路的实现方法。通过组建车载光纤CAN总线自愈环网，证明该网络不但具有自愈功能，还能消除光纤CAN环形网络中的阻塞现象。

　　关键词：CAN 自愈环 CPLD 接口电路 塑料光纤

　　CAN总线是德国Bosch公司于20世纪80年代初为解决汽车中众多数据交换而开发的一种串行数据通信协议。由于其具有卓越的特性，CAN总线成为目前公认的几种最有前途的现场总线之一。CAN总线的传输介质可以是双绞线、光纤和同轴电缆。目前双绞线CAN总线已得到了广泛应用，各项技术已经成熟。双绞线CAN网络在技术在容易实现、造价低廉，且对环境电磁辐射有一定抑制能力。但是当工作环境特别复杂时，其抗干扰能力并不十分令人满意。如在电动汽车现场，情况较为复杂，车载电气系统会产生强电磁干扰，将导致双绞线CAN网络不能正常工作。与双绞线和同轴电缆相比，光纤的优越性能--强大的抗EMI能力引起人们的关注。为进一步提高CAN网络的性能，应采用光纤作传输介质。由于车载局域网传送距离短，同时为了降低车载光纤CAN网络的成本，可选用塑料光纤(POF)作为传输介质。塑料光纤在高速短距离通信传输中成本低、易连接、可绕性好、重量轻，故组网成本低。德国宝马公司在2002年3月上市的最高级新款轿车"BMW7系列''中采用于50m POF构筑车内局域网。

　　光纤CAN网作为一种工业底层控制局域网，其拓扑结构与常用局域网一样，基本拓扑结构有总线形、环形和晕形。在光纤单环CAN网络中，由于器件的延时将导致环路信号自激，使环形CAN网络堵塞(或称为锁死)。为遵守CAN总线控制器在链路层的协议，应设计一种光纤CAN单环网专用逻辑控制单元LCU。该单元的功能是：对CAN总线数据实现收发控制，即主节点对接收到的数据不转发，当数据沿光纤环回到原发送节点时，立即被剔除；从节点对接收数据实现转发。同时还可消除环形光纤CAN总线网络的自激现象，保证环网不被堵塞。

　　Q光纤单环网络中，节点或链路的故障可能造成网络的瘫痪。为了提高光纤环网的生存性，应构成具有自愈功能的光纤双环自愈网。



1 光纤自愈环CAN网总体设计

1．1 光纤自愈环结构

　　光纤自愈环CAN网络如图1所示。该网络有两条光纤环路--顺时针环和逆时针环，各节点CAN控制器SJAl000通过接口电路与双环光纤网相连，接口电路由Altera公司出产的复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM7128S、两个光发送器LEDR和LEDL、两个光接收器PINR和PINL组成。

1．2 接口电路的功能

　　光纤自愈环CAN网接口电路的功能是：(1)当光纤双环通信正常时(如图2(a)所示)，各节点右端光发送器 LEDR传送左端光接收器PINL的数据，信号顺时针传送；同理LEDL传送PINR的数据，信号逆时针传送，即发送器选择对侧数据转发。(2)当单根光纤故障时(如图2(b)所示)，下游C节点接口电路实现环回，由于左侧光接收器PINL无信号，右端光发送器LEDR选择同侧光接收器PINR数据转发。(3)当任意节点间两根光纤故障时(如图2(c)所以)，如BC节点间光纤被切断时，则B、C两个节点与光纤切断点相连执行环回功能。此时，从A到C的信号AC则先经顺时针环到B，再经逆时针环过A、D后到达C。而信号CA则仍经顺时针环传输。这种自愈功能保证在故障情况下仍能维持环的连续性。故障排除后，倒换开关自动返回原来位置。(4)实现节点CAN控制器数据选择接收。其原则为：对于各节点接收的顺、逆时针数据，选择PINL、PINR中先到达的数据接收。(5)实现节点数据选择发送。其原则为：当总线空闲时，选择本节点CAN控制器发送端TX发送数据，可消除环形光纤CAN总线网络的自激现象，保证环网不被堵塞；当本节点CAN控制器为接收节点时，选择对侧数据发送；当本节点CAN控制器为接收节点时，且对侧光纤通道故障，则选择同侧数据发送。(6)判别各通道帧起始和帧结束，鉴别总线是否空闲，网络是否故障。如判断到左测光接收器PINL有数据帧正在传送时，产生左侧发送数据标志flag_l和网络通信状态标志sync_l。

2 接口电路设计

　　光纤CAN自愈网的自愈功能及收发控制功能由可编程逻辑器件(ALTERA EPM7128SLC84一15)实现，编程采用VHDL语言。下面进行具体介绍。

2．1 输入输出口设置

　　图3为接口电路CPLD的I／O口示意图。其中，输入输出pin_l、led_l、1ed_r、pin_r分别与光／电转换模块PINL、LEDL、LEDR、PINR相连：txd、rxd分别与CAN痉制器的数据发送端TX、接收端RX相连；flag_txd=1代表本节点CAN控制器TX0正在发送数据帧；flag_l=1代表左侧通道正在发送数据帧；flag__r=1代表右侧通道正在发送单据帧。sync_l为左侧网络通信状态标志，sync_r为右侧网络通信状态标志。当左通道正常时，输出sync_1="l"，驱动网络状态发光二极管D_sl亮；当右通道正常时，输出sync_r="1"，驱动网络状态发光二极管D_sr亮；若网络状态发光二极管D_sr或D_sl灭，表示网络对应光纤通道出了故障。当本节点CAN控制器选择左通道数据接收时，输出端rx_l／r为高电平；当本节点CAN控制器选择右通道数据接收时，输出端rx_l／r为低电平。输入端reset为复位端，低电平有效；clk0为时钟输入端，输入时钟的频率为20MHz。



2．2 CPLD功能结构

　　CPLD为控制环网自愈接口单元，控制电路由分频器、中心状态机、发送数据选择器、接收数据选择器组成，如图4所示。

2．3 分频器

　　通讯接口CPLD时钟频率为20MHz。在光纤CAN自愈环网中，各节点CAN控制器SJAl000和CPLD接口采用独立的工作时钟。为使状态机产生的flag的信号与CAN控制器数据传送同步，以保证两个数据选择器的切换和数据传送同步，应正确选择状态机的时钟。本文中CAN网数据传送波特率是125kbit／s，状态．机时钟rxclk的速率设计为数据传送波特率的8倍，即1Mbit／s，保证在一个CAN数据位周期中可对数据读取多次，提高抗干扰能力。所以分频器的功能为产生1MHz的时钟频率。

2．4 中心状态机

　　依据CAN 2．0B协议，CAN网络数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束。数据场长度可为0～8个字节。帧起始位是一个显性位低电?quot;0"；帧结束是由7个隐性位"1"组成的序列；在数据帧传送中，使用位添充技术编码，保证数据帧位流中不会出现5个连续的"1''或''0"。

　　中心控制状态机是本设计的核心单元。中心状态机的功能是：(1)，检测CAN数据帧的帧起始和帧结束，产生相应的发送数据标志信号flag_txd、flag_r和flag_l。(2)产生网络通信状态标志sync_r和sync_l。中心状态机由：三个状态机组成：本节点CAN控制器状态机、左通道状态机和右通道状态机。它们分别判别各通道(TX、PIN_L和PIN_R)是否有数据传送。下面对各处状态机的解释均以本节点CAN控制器状态机为例。



　　各状态机设置了61个状态， 即idle、S1、S2、S3…S60。当总线空闲时，状态机处于空闲态idle，此时rxclk上沿到来，检测到txd=0时，状态机转向S1，同时发送数据标志置位信号flag_txd="1"；第二上沿时，状态机无条件转向S2；第三上沿时，状态机无条件转向S3；第四上沿时，状态机无条件转向S4；第五上沿到来时，此时是数据位的中央位置，数据稳定，对数据再次读取，若txd="0"的条件仍成立，表示帧起始到来，状态机转向S5；否则flag_txd="0"，同时状态机转向空闲态idle，等待帧起始的到来。



　　当状态机处于S5时，此后rxclk(1MHz)每过一个时钟周期，状态机状态前进一步(S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、……、S58、S59、S60)；每过8个时钟周期，对CAN总线上的数据位进行一次检测(S12、S20、S28、S36、S44、S52、S60)，保证每次检测在数据位(位周期)中央。当连续7次txd="1"时，检测到"1"表示"帧结束''到来，发送数据标志复位flag_txd="0"，等待下一次帧起始的到来；否则状态机返回状态S5，等待帧结束的到来。

　　网络通信状态sync_r、sync _l是进行环网自愈的重要依据。如上所述，当左右通道发送数据状态标志flag="1''时，各通道网络通信状态sync="1"，网络状态发光二极管D_sr、D_sl亮；当帧结束到来时，flag="0"，启动网络通信状态计数群count，其时钟为rxclk=1MHz，当计数器为30000时(30ms)，sync="0"，网络状态发光二极管D_sr、D_sl灭。这表示某数据帧传输后，如果再也检测不到其它数据帧起始，则网络出了故障。如果在30ms内能检测到数据帧起始(flag置位)，网络通信状态标志sync持续为"1"。 计数器达到满值的时间应为估算的帧间最短时间间隔。

2．5 数据选择器

　　发送数据选择器和接收数据选择器的功能是实现链路搭建(即通道选择)。为保证网络正常工作，CAN网络延时应小于一个数据宽度(位周期)。为使链路搭建时间尽可能短，使用最高时钟频率(20MHz)控制两个数据选择器。

　　在发送数据选择器中，CPLD检测三路通道数据txd、pin_l、pin_r。各通道数据具有不同的优先级。优先级的设置为：当本节点发送数据(txd="0"或flag_txd="1'')时，左右通道发送CAN控制鞣⑺投薚X的数据，即led_r=txd，led_l=txd。若本节点不发送数据，则依据sync_r和sync_l选择发送数据，当左右通道均正常时，选择对侧数据发送，led_r=pin_l，led_l=pin_r。如果某通道故障，接收不到对侧数据，则选择本侧数据发送，led_l=pin_l，led_r=pin_r。据此，不仅实现了网络自愈，也消除了环网阻塞问题。

　　在接收数据选择器中，设定左通道为首选接收通道；当左通道数据未到时(flag_l="0'')或左通道故障时，不需人为干预，自动选择右通道接收。据此实现了接收优化(选择优先到达通道数据接收)以及光纤CAN总线双环网的自愈功能。

　　在电动车内组建光纤CAN自愈环网，采用塑料光纤作为传输介质，塑料光纤在可见光区有低损耗窗口，选用工作波长为650nm(红光)的光／电转换模块--Agilent公司生产的光发送器HFBR-1528和光接收器HFBR--2528。各节点CAN控卸器选用SJAl000或带CAN控制器的TMS320LF2407 DSP芯片，组成4个节点车载光纤CAN自愈环网。CAN网络的数据传送速率设置为125kbit／s，当设置某条通道故障时，网络能实现图2(b)所不的自愈功能；当设置任意节点之间的两根光纤故障时，网络能实现图2(c)所示的自愈功能。当CAN节点故障时，接口电路仍能保证双环网正常工作；但当接口电路故障时，将导致本节点脱离总线，其它节点实现网络自愈，构成单环网。通过示波器观测波形，发送节点通过总线竞争发送数据；接收节点能向总线上发送应答信号；节点数据通过4节点光纤CAN自愈环返回原节点的时间小于100ns。经测试，通道故障网络自愈时间为301ms。
作者：武汉理工大学 吴友宇 杨菊芳   来源：电子技术应用