基于SJA1000和光纖收發(fā)一體模塊實(shí)現(xiàn)CAN總線光纖傳輸接口的設(shè)計(jì)

作為一種成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)，CAN（ControllerArea Network）總線在汽車、電力、機(jī)械、化工等工業(yè)控制領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了CAN總線支持的兩種傳輸介質(zhì)--雙絞線和光纖。目前，絕大多數(shù)CAN總線系統(tǒng)采用的都是雙絞線傳輸。光纖一般應(yīng)用于大容量、高速率的傳輸中，對于CAN總線這種傳輸速率較低、數(shù)據(jù)量較小的現(xiàn)場總線通信，光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢得不到完全發(fā)揮，因此光纖傳輸?shù)膽?yīng)用還不多。國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)也都進(jìn)行了CAN總線光纖傳輸?shù)难芯?，但主要是基于分立光纖收發(fā)元件的方法。本文介紹了一種使用光纖收發(fā)一體模塊，結(jié)合編解碼算法實(shí)現(xiàn)CAN總線光纖傳輸接口的方案；根據(jù)CAN總線的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了CAN總線在光纖介質(zhì)下傳輸性能的改善。

1 CAN總線的雙絞線及光纖傳輸

1.1 CAN總線雙絞線傳輸

CAN總線典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫强偩€結(jié)構(gòu)。1993年頒布的同際標(biāo)準(zhǔn)ISOll898對基于雙絞線的CAN總線傳輸介質(zhì)特性做出了建議：總線可具有兩種邏輯狀態(tài)，即隱性（邏輯“1”）或顯性（邏輯“0”）。圖1為基于CAN總線控制器SJA1000和總線驅(qū)動器PCA82C250的CAN雙絞線傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

CAN總線雙絞線傳輸接口的特點(diǎn)是技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，造價低廉；理論上節(jié)點(diǎn)數(shù)無限制，對環(huán)境電磁輻射有一定抑制能力。但隨著頻率的增長，雙絞線線對的衰減迅速增大；雙絞線還有所謂近端串?dāng)_，即在“發(fā)送線對”和“接收線對”之間仔在電磁耦合干擾。另外，雙絞線的傳輸速率受距離限制比較大。這些缺陷使得CAN總線不宜在強(qiáng)干擾、高速率、遠(yuǎn)距離的場合下使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)。

1.2 CAN總線光纖傳輸

CAN協(xié)議支持光纖作為傳輸介質(zhì)，但是由于CAN總線網(wǎng)絡(luò)一般采用總線型結(jié)構(gòu)，并且其總線仲裁采取的是具有優(yōu)先級的非破壞性CSMA（載波偵聽多路訪問），而光纖信號的傳輸則是單向的，因此最簡單實(shí)用的方法是在某些總線支路上采用光纖介質(zhì)，整個CAN網(wǎng)絡(luò)為雙絞線和光纖兩種傳輸介質(zhì)混合使用的方式。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

作為傳輸介質(zhì)，光纖在抗干擾性、傳輸容量、速率等方面具有許多比雙絞線優(yōu)良的特性。因此，在某些環(huán)境惡劣、地理分布范圍較廣、速率要求較高的CAN總線系統(tǒng)中，可以在相應(yīng)的支路上使用光纖傳輸，從而保證整個CAN網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 光纖傳輸接口實(shí)現(xiàn)方案

2.1 光纖收發(fā)模塊的選用

實(shí)現(xiàn)光纖傳輸?shù)囊粋€重要環(huán)節(jié)就是完成總線信號的光電轉(zhuǎn)換，可以使用專用的光纖收發(fā)器件。目前，光纖收發(fā)器有兩種類型：一種是基于分立元件的，即光接收和光發(fā)送模塊是獨(dú)立的。這種光收發(fā)模塊相對比較簡單，光發(fā)射部分主要由光源和偏置控制電路組成；光接收部分主要由光探測器、整形放大電路組成，一般采用塑料或多模光纖進(jìn)行傳輸。另一種是光纖收發(fā)一體模塊，它在光源、光探測、光器件封裝、驅(qū)動集成電路、放大集成電路技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，將接收和發(fā)送集成到一起、符合電信傳輸標(biāo)準(zhǔn)的光電子系統(tǒng)；在光發(fā)射部分使用r性能更好的光源，并在接收部分加入了時鐘及再生判決電路等，一般采用單模光纖進(jìn)行傳輸。因此，光纖收發(fā)一體模塊在信號轉(zhuǎn)換的速率和穩(wěn)定性上都比分立的光纖收發(fā)器件有很大的提高，而且與外圍器件接口方便，單模光纖的色散、傳輸光功率消耗也比多模光纖小。

本設(shè)計(jì)中選用一款TTL光纖收發(fā)一體模塊，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用l×9引腳，單+5V電源供電，光纖傳輸模式為單模，標(biāo)準(zhǔn)ST-ST光纖接口。該模塊驅(qū)動接口如圖3所示。

2.2 設(shè)計(jì)方案

由于光纖收發(fā)一體模塊中含有時鐘提取電路，要求所轉(zhuǎn)換的信號流要含有豐富的時鐘信息，以便時鐘提取電路準(zhǔn)確地捕獲信號的頻率，因此信號流中不宜包含較長的連“1”或連“0”。而CAN總線在空閑以及發(fā)送某些類型幀時會出現(xiàn)比較長的連“1”或連“0”，尤其在通信波特率比較低的情況下，連續(xù)相同電平的時間就會越長，這將會導(dǎo)致接收器捕獲不到信號流的準(zhǔn)確波特率，從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換后的信號的位時間不準(zhǔn)確甚至錯誤。因此，就要求對待轉(zhuǎn)換的CAN信號流進(jìn)行預(yù)先處理。最常用的方法就是進(jìn)行編碼，編碼后的信號流中包含豐富的時鐘信息，不會出現(xiàn)較長的連“1”或連“0”，經(jīng)過光纖傳輸后再進(jìn)行解碼還原。也就是說，在CAN控制器、驅(qū)動器與光電轉(zhuǎn)換模塊之間增加一個編解碼器。

據(jù)此提出一種基于CAN總線控制器SJA1000和光纖收發(fā)一體模塊的CAN總線光纖傳輸接口方案，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

接口分為發(fā)送端和接收端。發(fā)送端由CAN總線控制器SJA1000、信號編解碼器和光纖收發(fā)一體模塊組成；接收端由CAN總線驅(qū)動器PCA82C250、信號編解碼器和光纖收發(fā)一體模塊組成。CAN節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端總線控制器SJA1000的發(fā)送信號TX經(jīng)編碼器進(jìn)行編碼之后，送至光纖收發(fā)一體模塊進(jìn)行信號的電一光轉(zhuǎn)換，然后通過光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端RX；接收端光纖收發(fā)一體模塊先對收到的光信號進(jìn)行光一電轉(zhuǎn)換，再由解碼器將編碼信號還原，最后通過總線驅(qū)動器PCA82C250與總線連接，完成數(shù)據(jù)發(fā)送過程。數(shù)據(jù)接收過程同理。

3 光電轉(zhuǎn)換編碼、解碼器設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線仲裁機(jī)制對編解碼方案的要求

CAN總線的非破壞性總線仲裁機(jī)制的原理為：當(dāng)總線空閑時，任何單元均可發(fā)送報(bào)文；若同時有2個或更多的節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送報(bào)文，則會出現(xiàn)總線沖突。對于總線訪問沖突，可借助于標(biāo)識符ID進(jìn)行逐位仲裁加以解決。仲裁期間，每個發(fā)送器將發(fā)送位電平同總線上檢測到的電平進(jìn)行比較：若相等，則節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送；若不相等，則表明節(jié)點(diǎn)失去仲裁，停止報(bào)文發(fā)送。只有總線訪問優(yōu)先權(quán)最高的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)報(bào)文發(fā)送，其他優(yōu)先權(quán)較低的節(jié)點(diǎn)失去仲裁，主動停止報(bào)文發(fā)送，只有當(dāng)總線空閑時才能繼續(xù)啟動報(bào)文發(fā)送。因此，CAN節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一位數(shù)據(jù)都要監(jiān)聽總線上的數(shù)據(jù)是否與所發(fā)送的一致。 在不考慮信號在光纖中傳輸時的衰減及CAN節(jié)點(diǎn)自身限制的前提下，為了保證CAN總線通信的正常進(jìn)行，在CAN總線的通信過程中必須保證信號延遲不能超過CAN總線的允許值，而這主要是由CAN總線物理層的位定時和同步功能決定的。CAN總線的位時間被定義為一位的持續(xù)時間。一個位時間可劃分為4個不重疊的時間段，即同步段（SYNC_SEG）、傳播段（PROP_SEG）、相位緩沖段1（PHASE_SEG1）和相位緩沖段2（PHASE_SEG2）。其中，同步段用于同步總線上不同的節(jié)點(diǎn)，這一段內(nèi)要有一個跳變沿；傳播段用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延遲時間（包括總線上的信號傳播時間和節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部延遲時間）；相位緩沖段1和相位緩沖段2用于補(bǔ)償邊沿階段的誤差。由于CAN總線中各個節(jié)點(diǎn)的時鐘可能不一致，因此需要進(jìn)行重新同步。重新同步的結(jié)果，使相位緩沖段1增長，或使相位緩沖段2縮短，內(nèi)部的位時間從同步段重新開始。采樣點(diǎn)位于相位緩沖段1的結(jié)束，在采樣點(diǎn)時刻，CAN節(jié)點(diǎn)讀總線電平。通過編程采樣點(diǎn)的位置可以優(yōu)化總線定時。

綜上所述，假設(shè)信號在光纖中的傳輸時間為t傳輸，信號傳輸中因光電轉(zhuǎn)換造成的延遲時間為t光電延遲，CAN節(jié)點(diǎn)同步及內(nèi)部延遲為t內(nèi)部延遲，則應(yīng)滿足以下關(guān)系：

t傳輸+t光電延遲+t內(nèi)部延遲

式中，對于給定長度和波特率，光纖傳輸時間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)部延遲時間是確定的，因此要盡量縮短光電轉(zhuǎn)換的延遲時間，即對CAN信號編解碼算法提出了特殊要求，要盡量縮短編解碼的延遲時間。

3.2 編碼、解碼方案

光纖傳輸中常采用的信號編碼有CMI碼、擾碼、8B／10B碼等。雖然這些編碼都能提供豐富的時鐘信息，但是由于CAN總線的總線仲裁是具有優(yōu)先級的非破壞性CSMA，這個特點(diǎn)決定了信號經(jīng)過編解碼后的延遲要盡可能得小。提出一種1B／16B編碼方法，編、解碼規(guī)則如下：

（1） 編碼規(guī)則

邏輯“1”--1110101010101010

邏輯“0”--0001010101010101

具體做法是，用是待編碼比特流波特率16倍的時鐘頻率對其每位進(jìn)行采樣，每一位采樣16次，然后根據(jù)約定好的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼。這樣就將原比特流的一位編碼成新的16位傳輸，每位的長度是原來位時間的1／16，而總的位時間不變。編碼后的信號不會出現(xiàn)較長的連“1”或連“0”（最長的連“1”或連“0”為4位）。

（2） 解碼規(guī)則

邏輯“1”--連續(xù)采樣3個“1”

邏輯“0”--連續(xù)采樣3個“0”

具體做法是，用是經(jīng)編碼后比特流波特率3倍的時鐘頻率對編碼后的信號進(jìn)行采樣（即一位采3次，取2次以上一樣的作為本次采樣最終結(jié)果）。如果連續(xù)采到3個“1”，則解碼輸出為“1”；如果連續(xù)采到3個“0”，則解碼輸出為“0”。

從1B／16B編碼、解碼方法可以看出，經(jīng)過編碼之后，CAN信號流中不存在長時間的相同電平信號，有豐富的跳變沿供時鐘提取電路捕獲信號頻率；解碼時利用了編碼信號流中的特征碼，即連續(xù)3個以上的相同電平信號，采樣到連續(xù)的3個“1”或3個“0”就得到解碼結(jié)果。實(shí)際上，采用這種編解碼方法，一位編成為16位后，只有前3位是有用的信息，其余的都是冗余碼；但是這樣做可以縮短編解碼的延遲時間，以滿足CAN總線仲裁特性的要求。

3.3 編碼、解碼器的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中采用可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)對信號的編解碼，具體選用Altera公司的FLEX10K10系列FPGA；軟件開發(fā)平臺使用的是QuartusII 5.0和Modelsim SE5.8（第三方仿真工具）；開發(fā)語言使用硬件描述語言VHDL。編碼、解碼器的硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

邏輯功能的波形仿真結(jié)果如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 通過兩個CAN節(jié)點(diǎn)的通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該CAN光纖傳輸接口的正確性。實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)如圖7所示。

CAN通信節(jié)點(diǎn)使用光纖介質(zhì)，與USB-CAN通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并在PC機(jī)上顯示通信情況。在CAN總線各波特率下進(jìn)行了兩個節(jié)點(diǎn)的收發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明該CAN光纖傳輸接口原理正確，具有可行性。實(shí)驗(yàn)測得信號編、解碼以及光電轉(zhuǎn)換的延時時間（即t光電延遲），見表1。

5 采用光纖對CAN總線通信性能的改善

下面結(jié)合上述光電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，簡要討論一下當(dāng)使用光纖替代雙絞線作為通信介質(zhì)后，CAN總線在通信性能上的改善。

在給定波特率下，光纖傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離L與信號在光纖中的傳輸時間t傳輸之間滿足以下關(guān)系：

L=V光纖×t傳輸

式中：V光纖為信號在光纖中的傳播速度。電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為V=C／n（C為光速，n為介質(zhì)的折射率），光在光纖中的傳播速度近似為260 m／μs，電磁波在雙絞線中的傳播速牢大致為200m／μs。這里取t內(nèi)部延遲=0.4×t位時間，則可以估算出光纖傳輸時CAN總線的最大距離，如表2所列。采用光纖作為傳輸介質(zhì)，CAN總線的最大傳輸距離能夠提高約40％。

從表2中可以看，由于CAN總線通信速率較低及非破壞性總線仲裁的特點(diǎn)，使用光纖傳輸介質(zhì)，其傳輸距離的增加并不十分明顯，沒能充分發(fā)揮光纖傳輸大容量、遠(yuǎn)距離的優(yōu)勢。但是使用光纖仍然有它巨大的潛力：

①由于一般電磁輻射的頻譜和光波的頻譜相距甚遠(yuǎn)，它不會疊加到光信號上或混入光信號中，也很難進(jìn)入光纖芯內(nèi)影響光信號的傳送。因此，光纖通信系統(tǒng)特別適合于在有強(qiáng)烈電磁干擾的地區(qū)或場合中使用，諸如電力系統(tǒng)、電氣化鐵道中的通信系統(tǒng)等。

②由于光纖的主要材料為二氧化硅，所以它比以銅為材料的電纜抗化學(xué)腐蝕和氧化等的性能強(qiáng)，即光纖的化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長，特別適宜在有腐蝕的區(qū)域（如化工廠等）使用。

③光纖的尺寸小，重量輕，因此，光纖通信系統(tǒng)特別適合在一些空間有限的地方使用，比如船艦、飛機(jī)、車輛、火箭、導(dǎo)彈等場合。這在國防軍事上有十分重要的意義。

結(jié) 語

CAN總線應(yīng)用范圍的日趨廣泛，能夠適應(yīng)越來越復(fù)雜的環(huán)境，特別是一些強(qiáng)干擾、遠(yuǎn)距離、地理分布不均、工作環(huán)境惡劣的應(yīng)用場合。傳統(tǒng)的雙絞線已不能滿足需要，采用光纖介質(zhì)不但能解決這些問題，而且給CAN總線應(yīng)用帶來更大的靈活性。實(shí)現(xiàn)光纖傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵點(diǎn)就是光纖傳輸接口的設(shè)計(jì)，本文提出了一種基于光纖收發(fā)一體模塊的接口方案及其實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，對于在CAN總線這樣速率較低的現(xiàn)場總線中使用光纖傳輸具有一定實(shí)用價值。

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