光纤CAN总线通信技术研究

引言

CAN 控制器局域网(Controller Area Network)起源于德国 Bosch 公司，由于其独特的多主非破坏逐位仲裁机制、高可靠的数据传输、良好的开放性、较高的性价比、国际范围的标准化和广泛的器件来源，迅速在众多工业自动化领域得到了广泛应用，成为发展最快、最具前途的现场总线之一。

CAN 总线作为一种应用越来越广泛的现场总线，一直以来都是采用金属双绞屏蔽线作为组网传输介质，尽管采用差分方式传输的 CAN 总线已经具有较好的抗干扰能力，但是，对于一些特殊场合，如：电磁环境恶劣、高电压、强磁场等应用场合，金属双绞屏蔽线的 CAN 网络就无法适应了。近年来，随着光纤通信技术的快速发展，光纤作为新兴的信息传输介质，具有独特的免电磁干扰特性和抗恶劣环境、不辐射电磁波、不导电的优良品质。因此，本文在分析了双绞线 CAN 总线特性的基础上，提出一种新型的光纤 CAN 总线接口和网络构型，以促进光纤 CAN 总线技术的发展和应用。

金属双绞线 总线接口特性分析

典型的金属双绞线 CAN 总线接口电路如图 1所示。

收发器 PCA82C250 是设备中 CAN 总线控制器SJA1000和外部双绞屏蔽线CAN总线网络之间的接口。它向总线提供差分驱动，它的主要功能是将CAN 总线控制器 TX0 端输出信号的 TTL 电平变换为 CAN 总线上的“隐性”(逻辑“1”)或“显性”(逻辑“0”)；并将 CAN 总线上的逻辑电平变换为 CAN总线控制器可以识别的 TTL 电平，从 RX0 端输入。其真值表见表 1。

收发器发送/接收数据的原理详见参考文献［1］。除了上述收发器的功能之外，CAN 总线接口还具有下列重要特性。

1)“线与”功能：当 TXD=‘1’发送“隐性”电平时，驱动器使 PNP 管和 NPN 管截止，总线的状态由其它节点的输出状态决定，只有当总线上所有节点都输出“隐性”位时，总线状态才为“隐性”；否则，只要有一个节点发送“显性”位，网线 CANH 被钳位在高电平，CANL被钳位在低电平，则此时网络状态必为“显性”位。故收发器 RXD 端的信号是所有节点 TXD信号“相与”逻辑运算的结果；

2)“在线监听”功能：控制器从 TX0 端发出的信号，通过收发器在总线上“线与”后，从 RXD输出给控制器 RX0 端接收，实现总线的“在线监听”功能；

3)节点故障保护功能：当某个节点故障时，CAN总线控制器可能连续发送“显性”位“霸占”总线，造成系统瘫痪，此时，收发器中的保护电路将自动将本节点断开；

4)非破坏逐位竞争总线仲裁机制：该机制是利用CAN 控制器的“在线监听”和收发器的硬件“线与”功能，当多个节点发生竞争，逐位同时向网络发送报文标识符时，如果控制器发送出去的位值和“在线监听”读回的位值一致，则继续发送下一位参与竞争；如果发送出去的位值和“在线监听”读回的位值不一致，即本节点优先级低(数值大，该位值为 1，即隐性)，则控制器判定本节点退出竞争。

总体设计

3.1. 系统构型

目前，已经研究和开发出来的光纤 CAN 总线网络主要有总线型、环形和星型等网络构型，且基本采用双光纤分别实现信号的收/发功能。本文提出了一种新型的基于集线器形式的单光纤 CAN 总线网络，属于星型网络构型，采用点对点方式通信。

3.2. 光纤物理层定义

本研究在 CAN 总线网络的物理层保留了 CAN控制器，重新设计网络物理层,以收/发一体化的光模块替代 CAN 收发器，以波分复用的单光纤替代金属双绞屏蔽线，收/发采用不同波长的光波进行信息传输，并保证网络物理层之上完全符合 CAN 总线标准的定义。

3.3. “显性”和“隐性”位定义

本研究中“显性”和“隐性”位定义为：光纤中有光信号传输时表示“显性”位，无光时表示“隐性”位。

在 CAN 控制器（如：SJA1000）的发送端 TX0和接收端 RX0 处，仍然保持现有的定义不变：逻辑“0”定义为“显性”电平；逻辑“1”定义为“隐性”电平。

3.4. 非破坏总线仲裁机制设计

CAN 总线网络的非破坏总线仲裁机制之所以能够实现的一个重要特性就是收发器硬件的“线与”功能。本研究采用复杂可编程逻辑器件 CPLD 的“逻辑与”来实现。只要确保 CAN 总线控制器 TX0 和RX0 端的信号特征不变，非破坏逐位竞争的总线仲裁机制就可以实现，并且 CAN 总线网络的数据链路层以上均保持不变。

3.5. 收发器容错机制设计

在双绞线 CAN 总线中，CAN 收发器具有故障节点自动关闭功能。即当 CAN 控制器硬件故障，长期发送“显性”位时，CAN 收发器自动关闭本节点。在光纤 CAN 总线网络中，该功能由集线器 CPLD 中的逻辑来实现。

3.6. 光路设计要素

3.6.1. 收/发一体化光模块

CAN 总线通讯时，总线上传输的是直流信号，因此，必须采用能够传输直流的光模块。目前能传输基带信号的收发一体模块的最高带宽为 10MHz，本研究选 2MHz。该模块通过 TTL 电平与 CAN 控制器接口，并采用波分复用(WDM)技术将收/发光波耦合到一根光纤中，从而实现单纤双向通信。

本研究特别定制了以下两种：

FC型光模块(FC型连接器)：发送波长=1310nm；接收波长=1550nm；
SC型光模块(SC型连接器)：发送波长=1550nm；接收波长=1310nm。

3.6.2. 光纤和通信窗口

由于本研究应用环境的 CAN 总线长度只有几十米，总线速率不超过 1Mbps，故选用对光源技术要求较低、衰减较小(功耗低)和芯径较粗（可靠性较高）的玻璃多模光纤。

多模玻璃光纤主要有850nm、1310nm和1550nm三个通信窗口。两个节点间选用某个波长作为发射窗口、另一个波长作为窗口则可实现单根光纤上的双向通信。本研究中采用 1550nm 和 1310nm 两个窗口实现双向通信。

技术方案

4.1. 光纤接口物理层设计

典型的光路组成如图 2 所示。