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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。關(guān)鍵詞：CAN 自愈環(huán) CPLD 接口電路 塑料光纖
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(jià)低廉，且對(duì)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(shí)，其抗干擾能力并不十分令人滿意。如在電動(dòng)汽車現(xiàn)場，情況較為復(fù)雜，車載電氣系統(tǒng)會(huì)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(shí)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(jí)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(shí)將導(dǎo)致環(huán)路信號(hào)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(duì)CAN總線數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)收發(fā)控制，即主節(jié)點(diǎn)對(duì)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(shí)，立即被剔除；從節(jié)點(diǎn)對(duì)接收數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)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(shí)針環(huán)和逆時(shí)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(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(dāng)光纖雙環(huán)通信正常時(shí)(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(hào)順時(shí)針傳送；同理LEDL傳送PINR的數(shù)據(jù)，信號(hào)逆時(shí)針傳送，即發(fā)送器選擇對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(2)當(dāng)單根光纖故障
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