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2002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。 |
