光纖CAN總線集線器及其組網(wǎng)研究

安維輕

[摘 要]CAN總線技術(shù)將發(fā)動機控制器、變速器控制器、ABS控制器以及車輛上其他控制器和各類型的傳感器之間的數(shù)據(jù)通信聯(lián)系起來，使整車線束布置更加緊湊。本文就光纖CAN總線集線器及其組網(wǎng)進行研究。

[關(guān)鍵詞]CAN總線 控制器局部網(wǎng) 集線器

中圖分類號：TP393.08 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）01-0268-01

引言

CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式，CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（OSI）一致。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特殊工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。當然，在同一網(wǎng)絡內(nèi)，物理層對于所有的節(jié)點必須是相同的。

一、CAN總線上的通信結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、同軸電纜、光纖等。最常用的就是雙絞線，Wire-CAN總線網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中CAN控制器為SJA1000，其輸入輸出電平為TTL電平。CAN收發(fā)器為82C250，它對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接受能力，即82C250實現(xiàn)TTL電平和CAN總線差動信號之間的相互轉(zhuǎn)換，使總線具有較強的抗EMI特性。

信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時，通常電壓值為：VCAN_H=3.5V和VCAN_L=1.5V。CAN總線中各節(jié)點通過“線與”邏輯關(guān)系連接到總線上，邏輯“0”可以覆蓋邏輯“1”，當某一節(jié)點發(fā)送的標識符中某位為“1”，而其他節(jié)點發(fā)送標識符的相應位為“0”時，發(fā)送“1”的節(jié)點會失去仲裁，主動退出競爭并轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，CAN總線多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進行總線訪問，從而節(jié)點間數(shù)據(jù)傳送避免了總線沖突。

二、光纖CAN總線網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)及接口電路設(shè)計

光纖CAN（Fiber-CAN）網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。各節(jié)點的接口電路由CAN收發(fā)器、光發(fā)射模塊、光接收模塊組成和實現(xiàn)邏輯控制關(guān)系的CPLD來構(gòu)成。由于CAN總線的最高傳輸速率為1Mbit/s，光發(fā)射模塊和光接收模塊的輸入輸出電信號是典型TTL電平，除實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換外它們還具有光電隔離作用，所以Fiber-CAN網(wǎng)絡無需光電隔離器。

光纖CAN總線網(wǎng)絡與雙絞線網(wǎng)絡不同，光纖網(wǎng)絡由于其信號傳輸?shù)膯蜗蛐?，只能實現(xiàn)點對點的連接，每個節(jié)點必須能自動轉(zhuǎn)發(fā)總線信號。為了實現(xiàn)信號的自動轉(zhuǎn)發(fā)，本設(shè)計采用了如圖2所示的Fiber-CAN總線接口電路。利用CAN總線收發(fā)芯片82C250的“線與”特性，實現(xiàn)光信號的自動轉(zhuǎn)發(fā)。具有雙絞線接口的CAN網(wǎng)絡節(jié)點只需要一個光纖接口電路模塊就可以很方便地加到光纖網(wǎng)絡上。

Fiber-CAN網(wǎng)絡接口電路的功能是：當CAN系統(tǒng)通信正常時，電路的82C250芯片收發(fā)該節(jié)點雙絞線接口提供的差分信號。節(jié)點的CAN控制器通過雙絞線接口接收來自光纖接口電路提供的總線狀態(tài)信號tx，rx是本節(jié)點控制器輸出信號。led_a/led_b是光發(fā)射模塊A/B的驅(qū)動信號，pin_a/pin_b為光接收模塊A/B產(chǎn)生的狀態(tài)信號。pina_led、pinb_led、rx_led分別為兩個光接收模塊和CAN收發(fā)器接收端的狀態(tài)指示信號，當對應的端口有顯性數(shù)據(jù)，即CPLD的輸入信號pin_a、pin_b、rx邏輯為“1”時，分別驅(qū)動對應的發(fā)光二極管指示其通信狀態(tài)。

三、光收發(fā)模塊電路

光收發(fā)模塊是光纖通信收發(fā)端光電轉(zhuǎn)換器和電路控制器的組合，其作用是實現(xiàn)光/電信號的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用的光收發(fā)模塊的工作波長為1310nm，有光發(fā)射和接收兩個模塊。

（1）光發(fā)射模塊是將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘査腿牍饫w進行傳輸，主要包括發(fā)光二極管（LED）。本設(shè)計所選用的LED，它具有耦合效率高、驅(qū)動電流小、功耗低和可靠性高等特點。當使用62.5/125μm光纖，LED的驅(qū)動電流Ifon=100mA時，其輸出光功率為-10.0dBm（100μW）。

因為數(shù)據(jù)信號通常是電壓信號，而驅(qū)動LED需要電流信號，所以需要將電壓信號調(diào)制成電流信號輸出，這通常是利用三極管的開關(guān)特性來實現(xiàn)。

（2）光接收模塊的功能是將光纖中傳輸?shù)奈⑷豕庑盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺K中包含：激光信號探測器（PIN），前置跨阻放大器（U1），主放大器（U2）和比較器（U3）。

所選用探測器PIN的探測靈敏度為-43.0dBm（≈0.05μW）。探測器首先將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓后，由于輸出模擬信號，應加電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使它和數(shù)字系統(tǒng)兼容。驅(qū)動及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

因為從PIN中獲得的電信號十分微弱，通常為微安或納安量級，所以要采用前置跨阻放大器將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?；由于前置跨阻放大器受到放大倍?shù)的限制，輸出信號的幅度往往較小，不能滿足判決電路對輸入幅度的要求，因而還需要主放大器進行放大，然后由比較器進行電平判決，整形后輸出標準的TTL信號。

四、結(jié)束語

總之，與光纖媒介的結(jié)合可以提高CAN網(wǎng)絡的性能、擴展CAN總線的應用領(lǐng)域，具有現(xiàn)實意義和非常廣泛的市場前景。

參考文獻

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