光纤CAN总线通信技术研究
时间:02-18
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图 2 光纤接口连接框图
FC型和SC型收发一体化光模块的收/发光波波长对应互置,共享一根光纤,互不干扰。如:FC 型光模块的发送波长为 1310nm,则 SC 型光模块的接收波长就是 1310nm。
4.2. 系统的组成
如图 3 所示,本研究采用以光纤 CAN 总线集线器为中心的星型网络构型,集线器通过单光纤与 N个节点连接。在节点中保留 CAN 总线控制器,舍弃了双绞线网络中的收发器和双绞线,代之以收/发一体化光模块和单根光纤进行信号的转换和传输,详见图 2。总线集线器是实现 CAN 总线网络“线与”功能的关键设备,集线器以 CPLD 为核心,各节点发送的信号 RX(1)~RX(n)相与后,通过 TX(1)~TX(n) 同时回传给各节点,从而实现光纤 CAN 总线网络“线与”功能。
图 3 基于集线器的单光纤 CAN 总线网络构型
如图 2 和图 3 所示,1#节点 CAN 总线控制器的数据发送端 TX0 将报文标识符逐位发送给反向器,“显性”为“0”,“隐性”为“1”;经过反向器后,“显性”为“1”,“隐性”为“0”;FC 型光模块的 TD 端接收“1”时,LED 发送波长为 1310nm 的光波,接收“0”时,不发光,因此,经过光模块后,光纤中有光表示“显性”,无光表示“隐性”。
光波通过光纤到达光纤 CAN 总线集线器,经过SC 型光纤连接器进入 SC 型光模块,经过光/电转换后,以电信号形式从 SC 型光模块的 RD 端输出,此时,信号“显性”为“1”,“隐性”为“0”;此信号通过 CPLD 的 1#光口的 RX(1)进入 CPLD,各节点发送的信号 RX(1)~RX(n)按照下列公式进行逻辑运算:
TX(1),TX(2)...TX(n)=RX(1)RX(2)...RX(n-1)RX(n)
其含义是将输入到 CPLD 中的 n 个输入信号RX(1),RX(2)…RX(n-1),RX(n)全部相“与”后,再送回 n 个输出 TX(1),TX(2)…TX(n-1),TX(n),从而,采用 CPLD 逻辑“与”实现了双绞线的“线与”功能。
“相与”后的信号通过 CPLD 的 TX(1)端发送给 SC 型光模块的 TD 端,SC 型光模块的 TD 端接收“1”时,LED 发送波长为 1550nm 的光波,接收“0”时,不发光,此时,光纤中有光表示“显性”,无光表示“隐性”。
光波通过光纤到达 1#节点,经过 FC 型光纤连接器返回 FC 型光模块,经过光/电转换后,以电信号形式从 FC 型光模块的 RD 端输出,此时,信号“显性”为“1”,“隐性”为“0”;此信号通过反向器反向后,信号特性变为“显性”为“0”,“隐性”为“1”,此信号送入 SJA1000 的 RX0 端被控制器采集,并进行仲裁。
仲裁原理:如果 1#节点的 CAN 总线控制器TX0端发送出去的状态位值与此时RX0端收到的位值不一致,则该节点退出竞争;反之,如果一致,则该节点继续发送下一位参与竞争,直至最后胜出,取得总线控制权。
系统建模与测试
基于上述方案,我们建立了两套系统模型,两套系统模型都是基于光纤 CAN 总线集线器的网络模型,只是节点机不同,一个系统的节点机为单片机节点机,另一个是对现有工控机的 CAN 总线板卡进行光纤化改进,在已有双绞线系统中直接替换物理层。系统规模为 8 个节点机,光纤长度为 10m。
在此模型上,进行了收/发一体化光模块的转换延时、总线通信速率和报文丢失率(近似误码率)等方面的简单测试,测试情况见表 2。 结论
通过上述研究和测试,可以得出以下几个方面的结论:
1) 本技术方案符合 CAN 总线标准对物理层信号传输特性的要求,能够在不改变顶层协议的前提下,实现 CAN 总线特有的多主非破坏逐位竞争机制;
2) 星型网络拓扑结构相对于光纤环网构型,本研究光/电和电/光转换环节少,在同样光纤长度条件下,本技术方案可实现较高的通信速率;
3) 采用集线器组网方式,只需增加集线器的端口数,就可以扩展 CAN 总线网络的规模,且无总线负载匹配问题,故不会影响网络可达到的最高通信速率;
4) 采用基于波分复用双向信息传输技术的收/发一体化光模块单光纤连接方式,简化了系统的构型,减少了配置,便于组成更为复杂的系统网络;
5) 光纤 CAN 总线网络具有免电磁干扰能力,极大地提高了 CAN 总线网络在恶劣电磁环境中的生存力、安全性和可靠性;消除了双绞线网络信号衰减和收发器负载能力差的固有缺陷,便于扩大网络规模(节点数量)和提高通信速率。
参考文献
[1] 《现场总线 CAN 原理与应用技术》饶运涛等著(end)
- 基于DSP的光纤高温测量仪的软件设计 (04-08)
- 基于DSP处理器的光纤高温测量仪的设计方案(05-08)
- ARM和DSP设计的地震加速度信号处理系统(01-04)
- 基于DSP的光纤光栅解调系统的设计(01-25)
- 基于MSP430的光电微损法血糖监测系统设计(06-06)
- 基于DSP的光纤光栅解调系统的电路设计(03-10)