光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)的研究

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(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總線成為目前公認的幾種最有前途的現(xiàn)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(jīng)成熟。雙絞線CAN網(wǎng)絡在技術在容易實現(xiàn)、造價低廉，且對環(huán)境電磁輻射有一定抑制能力。但是當工作環(huán)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(xiàn)場，情況較為復雜，車載電氣系統(tǒng)會產(chǎn)生強電磁干擾，將導致雙絞線CAN網(wǎng)絡不能正常工作。與雙絞線和同軸電纜相比，光纖的優(yōu)越性能--強大的抗EMI能力引起人們的關注。為進一步提高CAN網(wǎng)絡的性能，應采用光纖作傳輸介質。由于車載局域網(wǎng)傳送距離短，同時為了降低車載光纖CAN網(wǎng)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(wǎng)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(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)，其拓撲結構與常用局域網(wǎng)一樣，基本拓撲結構有總線形、環(huán)形和暈形。在光纖單環(huán)CAN網(wǎng)絡中，由于器件的延時將導致環(huán)路信號自激，使環(huán)形CAN網(wǎng)絡堵塞(或稱為鎖死)。為遵守CAN總線控制器在鏈路層的協(xié)議，應設計一種光纖CAN單環(huán)網(wǎng)專用邏輯控制單元LCU。該單元的功能是：對CAN總線數(shù)據(jù)實現(xiàn)收發(fā)控制，即主節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)不轉發(fā)，當數(shù)據(jù)沿光纖環(huán)回到原發(fā)送節(jié)點時，立即被剔除；從節(jié)點對接收數(shù)據(jù)實現(xiàn)轉發(fā)。同時還可消除環(huán)形光纖CAN總線網(wǎng)絡的自激現(xiàn)象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞。

Q光纖單環(huán)網(wǎng)絡中，節(jié)點或鏈路的故障可能造成網(wǎng)絡的癱瘓。為了提高光纖環(huán)網(wǎng)的生存性，應構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)總體設計

1．1 光纖自愈環(huán)結構

光纖自愈環(huán)CAN網(wǎng)絡如圖1所示。該網(wǎng)絡有兩條光纖環(huán)路--順時針環(huán)和逆時針環(huán)，各節(jié)點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)的復雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發(fā)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(huán)CAN網(wǎng)接口電路的功能是：(1)當光纖雙環(huán)通信正常時(如圖2(a)所示)，各節(jié)點右端光發(fā)送器 LEDR傳送左端光接收器PINL的數(shù)據(jù)，信號順時針傳送；同理LEDL傳送PINR的數(shù)據(jù)，信號逆時針傳送，即發(fā)送器選擇對側數(shù)據(jù)轉發(fā)。(2)當單根光纖故障時(如圖2(b)所示)，下游C節(jié)點接口電路實現(xiàn)環(huán)回，由于左側光接收器PINL無信號，右端光發(fā)送器LEDR選擇同側光接收器PINR數(shù)據(jù)轉發(fā)。(3)當任意節(jié)點間兩根光纖故障時(如圖2(c)所以)，如BC節(jié)點間光纖被切斷時，則B、C兩個節(jié)點與光纖切斷點相連執(zhí)行環(huán)回功能。此時，從A到C的信號AC則先經(jīng)順時針環(huán)到B，再經(jīng)逆時針環(huán)過A、D后到達C。而信號CA則仍經(jīng)順時針環(huán)傳輸。這種自愈功能保證在故障情況下仍能維持環(huán)的連續(xù)性。故障排除后，倒換開關自動返回原來位置。(4)實現(xiàn)節(jié)點CAN控制器數(shù)據(jù)選擇接收。其原則為：對于各節(jié)點接收的順、逆時針數(shù)據(jù)，選擇PINL、PINR中先到達的數(shù)據(jù)接收。(5)實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)選擇發(fā)送。其原則為：當總線空閑時，選擇本節(jié)點CAN控制器發(fā)送端TX發(fā)送數(shù)據(jù)，可消除環(huán)形光纖CAN總線網(wǎng)絡的自激現(xiàn)象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞；當本節(jié)點CAN控制器為接收節(jié)點時，選擇對側數(shù)據(jù)發(fā)送；當本節(jié)點CAN控制器為接收節(jié)點時，且對側光纖通道故障，則選擇同側數(shù)據(jù)發(fā)送。(6)判別各通道幀起始和幀結束，鑒別總線是否空閑，網(wǎng)絡是否故障。如判斷到左測光接收器PINL有數(shù)據(jù)幀正在傳送時，產(chǎn)生左側發(fā)送數(shù)據(jù)標志flag_l和網(wǎng)絡通信狀態(tài)標志sync_l。

2 接口電路設計

光纖CAN自愈網(wǎng)的自愈功能及收發(fā)控制功能由可編程邏輯器件(ALTERA EPM7128SLC84一15)實現(xiàn)，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(shù)據(jù)發(fā)送端TX、接收端RX相連；flag_txd=1代表本節(jié)點CAN控制器TX0正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀；flag_l=1代表左側通道正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀；flag__r=1代表右側通道正在發(fā)送單據(jù)幀。sync_l為左側網(wǎng)絡通信狀態(tài)標志，sync_r為右側網(wǎng)絡通信狀態(tài)標志。當左通道正常時，輸出sync_1=l，驅動網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)光二極管D_sl亮；當右通道正常時，輸出sync_r=1，驅動網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr亮；若網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr或D_sl滅，表示網(wǎng)絡對應光纖通道出了故障。當本節(jié)點CAN控制器選擇左通道數(shù)據(jù)接收時，輸出端rx_l／r為高電平；當本節(jié)點CAN控制器選擇右通道數(shù)據(jù)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(huán)網(wǎng)自愈接口單元，控制電路由分頻器、中心狀態(tài)機、發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器、接收數(shù)據(jù)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(huán)網(wǎng)中，各節(jié)點CAN控制器SJAl000和CPLD接口采用獨立的工作時鐘。為使狀態(tài)機產(chǎn)生的flag的信號與CAN控制器數(shù)據(jù)傳送同步，以保證兩個數(shù)據(jù)選擇器的切換和數(shù)據(jù)傳送同步，應正確選擇狀態(tài)機的時鐘。本文中CAN網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送波特率是125kbit／s，狀態(tài)．機時鐘rxclk的速率設計為數(shù)據(jù)傳送波特率的8倍，即1Mbit／s，保證在一個CAN數(shù)據(jù)位周期中可對數(shù)據(jù)讀取多次，提高抗干擾能力。所以分頻器的功能為產(chǎn)生1MHz的時鐘頻率。

2．4 中心狀態(tài)機

依據(jù)CAN 2．0B協(xié)議，CAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場、幀結束。數(shù)據(jù)場長度可為0～8個字節(jié)。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(shù)據(jù)幀傳送中，使用位添充技術編碼，保證數(shù)據(jù)幀位流中不會出現(xiàn)5個連續(xù)的1或0。

中心控制狀態(tài)機是本設計的核心單元。中心狀態(tài)機的功能是：(1)，檢測CAN數(shù)據(jù)幀的幀起始和幀結束，產(chǎn)生相應的發(fā)送數(shù)據(jù)標志信號flag_txd、flag_r和flag_l。(2)產(chǎn)生網(wǎng)絡通信狀態(tài)標志sync_r和sync_l。中心狀態(tài)機由：三個狀態(tài)機組成：本節(jié)點CAN控制器狀態(tài)機、左通道狀態(tài)機和右通道狀態(tài)機。它們分別判別各通道(TX、PIN_L和PIN_R)是否有數(shù)據(jù)傳送。下面對各處狀態(tài)機的解釋均以本節(jié)點CAN控制器狀態(tài)機為例。

各狀態(tài)機設置了61個狀態(tài)， 即idle、S1、S2、S3…S60。當總線空閑時，狀態(tài)機處于空閑態(tài)idle，此時rxclk上沿到來，檢測到txd=0時，狀態(tài)機轉向S1，同時發(fā)送數(shù)據(jù)標志置位信號flag_txd=1；第二上沿時，狀態(tài)機無條件轉向S2；第三上沿時，狀態(tài)機無條件轉向S3；第四上沿時，狀態(tài)機無條件轉向S4；第五上沿到來時，此時是數(shù)據(jù)位的中央位置，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，對數(shù)據(jù)再次讀取，若txd=0的條件仍成立，表示幀起始到來，狀態(tài)機轉向S5；否則flag_txd=0，同時狀態(tài)機轉向空閑態(tài)idle，等待幀起始的到來。

當狀態(tài)機處于S5時，此后rxclk(1MHz)每過一個時鐘周期，狀態(tài)機狀態(tài)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(shù)據(jù)位進行一次檢測(S12、S20、S28、S36、S44、S52、S60)，保證每次檢測在數(shù)據(jù)位(位周期)中央。當連續(xù)7次txd=1時，檢測到1表示幀結束到來，發(fā)送數(shù)據(jù)標志復位flag_txd=0，等待下一次幀起始的到來；否則狀態(tài)機返回狀態(tài)S5，等待幀結束的到來。

網(wǎng)絡通信狀態(tài)sync_r、sync _l是進行環(huán)網(wǎng)自愈的重要依據(jù)。如上所述，當左右通道發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)標志flag=1時，各通道網(wǎng)絡通信狀態(tài)sync=1，網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl亮；當幀結束到來時，flag=0，啟動網(wǎng)絡通信狀態(tài)計數(shù)群count，其時鐘為rxclk=1MHz，當計數(shù)器為30000時(30ms)，sync=0，網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl滅。這表示某數(shù)據(jù)幀傳輸后，如果再也檢測不到其它數(shù)據(jù)幀起始，則網(wǎng)絡出了故障。如果在30ms內(nèi)能檢測到數(shù)據(jù)幀起始(flag置位)，網(wǎng)絡通信狀態(tài)標志sync持續(xù)為1。 計數(shù)器達到滿值的時間應為估算的幀間最短時間間隔。

2．5 數(shù)據(jù)選擇器

發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器和接收數(shù)據(jù)選擇器的功能是實現(xiàn)鏈路搭建(即通道選擇)。為保證網(wǎng)絡正常工作，CAN網(wǎng)絡延時應小于一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)選擇器。

在發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器中，CPLD檢測三路通道數(shù)據(jù)txd、pin_l、pin_r。各通道數(shù)據(jù)具有不同的優(yōu)先級。優(yōu)先級的設置為：當本節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)(txd=0或flag_txd=1)時，左右通道發(fā)送CAN控制鞣⑺投薚X的數(shù)據(jù)，即led_r=txd，led_l=txd。若本節(jié)點不發(fā)送數(shù)據(jù)，則依據(jù)sync_r和sync_l選擇發(fā)送數(shù)據(jù)，當左右通道均正常時，選擇對側數(shù)據(jù)發(fā)送，led_r=pin_l，led_l=pin_r。如果某通道故障，接收不到對側數(shù)據(jù)，則選擇本側數(shù)據(jù)發(fā)送，led_l=pin_l，led_r=pin_r。據(jù)此，不僅實現(xiàn)了網(wǎng)絡自愈，也消除了環(huán)網(wǎng)阻塞問題。

在接收數(shù)據(jù)選擇器中，設定左通道為首選接收通道；當左通道數(shù)據(jù)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(jù)此實現(xiàn)了接收優(yōu)化(選擇優(yōu)先到達通道數(shù)據(jù)接收)以及光纖CAN總線雙環(huán)網(wǎng)的自愈功能。

在電動車內(nèi)組建光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)，采用塑料光纖作為傳輸介質，塑料光纖在可見光區(qū)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(chǎn)的光發(fā)送器HFBR-1528和光接收器HFBR--2528。各節(jié)點CAN控卸器選用SJAl000或帶CAN控制器的TMS320LF2407 DSP芯片，組成4個節(jié)點車載光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)。CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳送速率設置為125kbit／s，當設置某條通道故障時，網(wǎng)絡能實現(xiàn)圖2(b)所不的自愈功能；當設置任意節(jié)點之間的兩根光纖故障時，網(wǎng)絡能實現(xiàn)圖2(c)所示的自愈功能。當CAN節(jié)點故障時，接口電路仍能保證雙環(huán)網(wǎng)正常工作；但當接口電路故障時，將導致本節(jié)點脫離總線，其它節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡自愈，構成單環(huán)網(wǎng)。通過示波器觀測波形，發(fā)送節(jié)點通過總線競爭發(fā)送數(shù)據(jù)；接收節(jié)點能向總線上發(fā)送應答信號；節(jié)點數(shù)據(jù)通過4節(jié)點光纖CAN自愈環(huán)返回原節(jié)點的時間小于100ns。經(jīng)測試，通道故障網(wǎng)絡自愈時間為301ms