光纖CAN總線通信技術(shù)研究
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圖 3 基于集線器的單光纖 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型
如圖 2 和圖 3 所示，1＃節(jié)點(diǎn) CAN 總線控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送端 TX0 將報(bào)文標(biāo)識(shí)符逐位發(fā)送給反向器，“顯性”為“0”，“隱性”為“1”；經(jīng)過(guò)反向器后，“顯性”為“1”，“隱性”為“0”；FC 型光模塊的 TD 端接收“1”時(shí)，LED 發(fā)送波長(zhǎng)為 1310nm 的光波，接收“0”時(shí)，不發(fā)光，因此，經(jīng)過(guò)光模塊后，光纖中有光表示“顯性”，無(wú)光表示“隱性”。
光波通過(guò)光纖到達(dá)光纖 CAN 總線集線器，經(jīng)過(guò)SC 型光纖連接器進(jìn)入 SC 型光模塊，經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換后，以電信號(hào)形式從 SC 型光模塊的 RD 端輸出，此時(shí)，信號(hào)“顯性”為“1”，“隱性”為“0”；此信號(hào)通過(guò) CPLD 的 1＃光口的 RX(1)進(jìn)入 CPLD，各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào) RX(1)～RX(n)按照下列公式進(jìn)行邏輯運(yùn)算：
TX(1),TX(2)...TX(n)=RX(1)RX(2)...RX(n-1)RX(n)
其含義是將輸入到 CPLD 中的 n 個(gè)輸入信號(hào)RX(1),RX(2)…RX(n-1),RX(n)全部相“與”后，再送回 n 個(gè)輸出 TX(1),TX(2)…TX(n-1),TX(n),從而，采用 CPLD 邏輯“與”實(shí)現(xiàn)了雙絞線的“線與”功能。
“相與”后的信號(hào)通過(guò) CPLD 的 TX(1)端發(fā)送給 SC 型光模塊的 TD 端，SC 型光模塊的 TD 端接收“1”時(shí)，LED 發(fā)送波長(zhǎng)為 1550nm 的光波，接收“0”時(shí)，不發(fā)光，此時(shí)，光纖中有光表示“顯性”，無(wú)光表示“隱性”。
光波通過(guò)光纖到達(dá) 1＃節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò) FC 型光纖連接器返回 FC 型光模塊，經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換后，以電信號(hào)形式從 FC 型光模塊的 RD 端輸出，此時(shí)，信號(hào)“顯性”為“1”，“隱性”為“0”；此信號(hào)通過(guò)反向器反向后，信號(hào)特性變?yōu)椤帮@性”為“0”，“隱性”為“1”，此信號(hào)送入 SJA1000 的 RX0 端被控制器采集，并進(jìn)行仲裁。
仲裁原理：如果 1＃節(jié)點(diǎn)的 CAN 總線控制器TX0端發(fā)送出去的狀態(tài)位值與此時(shí)RX0端收到的位值不一致，則該節(jié)點(diǎn)退出競(jìng)爭(zhēng)；反之，如果一致，則該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送下一位參與競(jìng)爭(zhēng)，直至最后勝出，取得總線控制權(quán)。
系統(tǒng)建模與測(cè)試
基于上述方案，我們建立了兩套系統(tǒng)模型，兩套系統(tǒng)模型都是基于光纖 CAN 總線集線器的網(wǎng)絡(luò)模型，只是節(jié)點(diǎn)機(jī)不同，一個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)機(jī)為單片機(jī)節(jié)點(diǎn)機(jī)，另一個(gè)是對(duì)現(xiàn)有工控機(jī)的 CAN 總線板卡進(jìn)行光纖化改進(jìn)，在已有雙絞線系統(tǒng)中直接替換物理層。系統(tǒng)規(guī)模為 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)，光纖長(zhǎng)度為 10m。
在此模型上，進(jìn)行了收/發(fā)一體化光模塊的轉(zhuǎn)換延時(shí)、總線通信速率和報(bào)文丟失率(近似誤碼率)等方面的簡(jiǎn)單測(cè)試，測(cè)試情況見(jiàn)表 2。 結(jié)論
通過(guò)上述研究和測(cè)試，可以得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論：
1) 本技術(shù)方案符合 CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層信號(hào)傳輸特性的要求，能夠在不改變頂層協(xié)議的前提下，實(shí)現(xiàn) CAN 總線特有的多主非破壞逐位競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制；
2) 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)型，本研究光/電和電/光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，在同樣光纖長(zhǎng)度條件下，本技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)較高的通信速率；
3) 采用集線器組網(wǎng)方式，只需增加集線器的端口數(shù)，就可以擴(kuò)展 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，且無(wú)總線負(fù)載匹配問(wèn)題，故不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到的最高通信速率；
4) 采用基于波分復(fù)用雙向信息傳輸技術(shù)的收/發(fā)一體化光模塊單光纖連接方式，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的構(gòu)型，減少了配置，便于組成更為復(fù)雜的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；
5) 光纖 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)具有免電磁干擾能力，極大地提高了 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)在惡劣電磁環(huán)境中的生存力、安全性和可靠性；消除了雙絞線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)衰減和收發(fā)器負(fù)載能力差的固有缺陷，便于擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(節(jié)點(diǎn)數(shù)量)和提高通信速率。
參考文獻(xiàn)
[1] 《現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN 原理與應(yīng)用技術(shù)》饒運(yùn)濤等著(end)
數(shù)字通信相關(guān)文章:數(shù)字通信原理
雙絞線傳輸器相關(guān)文章:雙絞線傳輸器原理
評(píng)論