光纤CAN总线自愈环网的研究_通信网络论文
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。德国宝马公司在今年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。
图1
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。
图2
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。