嵌入式系统/ARM技术中的光纤CAN总线自愈环网的研究
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2020-12-10
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的光纤技术中的光纤CAN总线自愈环网的研究总线自愈环网的研究
摘要：介绍了光纤单CAN网络的工作特点及其不足。为提高光纤CAN网络的生存性，设计了光纤CAN总线自愈
环网。采用塑料地（POF）为传输介质，用波长为650nm的红光光电收发器件实现光/电转换。分析了CAN网络
数据帧的结构特点，给出了基于CPLD的自愈接口电路的实现方法。通过组建车载光纤CAN总线自愈环网，证明
该网络不但具有自愈功能，还能消除光纤CAN环形网络中的阻塞现象。 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
摘要：摘要：介绍了光纤单CAN网络的工作特点及其不足。为提高光纤CAN网络
的生存性，设计了光纤CAN总线自愈环网。采用塑料地（POF）为传输介
质，用波长为650nm的红光光电收发器件实现光/电转换。分析了CAN网络
数据帧的结构特点，给出了基于CPLD的自愈接口电路的实现方法。通过组
建车载光纤CAN总线自愈环网，证明该网络不但具有自愈功能，还能消除光
纤CAN环形网络中的阻塞现象。
关键词：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。
图图1
1 光纤自愈环光纤自愈环CAN网总体设计网总体设计
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
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