（通信与信息系统专业论文）光纤can总线网络的研究与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 c a n ( 全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，即控制器局域网) 是一种串行、 异步、多主机的通讯网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一”。由于c a n 总线具有很高的实时性能，现在已经被广泛地应用于航空工业、工业控制、安 全防护等领域。特别是近年来，由于芯片价格不断下降，c a n 成了炙手可热的 技术。目前世界上绝大多数的c a n 网络都采用双绞线作为传输介质【7 1 光纤介质使总线节点无电流流过，可以去耦合，并且高速宽带，能确保数 据的安全传输 4 1 。如果采用光纤来代替双绞线，则可以提高c a n 网络的抗电磁 干扰能力，扩展传输距离，免受大气或者化学腐蚀，降低运行维护成本。所以 为进一步提高c a n 网络的性能、扩展c a n 总线的应用领域，采用光纤作传输 介质十分必要。 本文首先在引入c a n 概念的基础上，从双绞线c a n ( w i r e - - c a n ) 总线网 络的缺陷和光纤优良的e m c 、衰减小等特性出发，详细分析了双绞线c a n 总 线的通信结构和接口协议【3 】，通过改造c a n 总线的物理层，提出光纤媒介的 c a n 总线信号传输方案，并给出具体接口电路的设计，节点的逻辑控制由可编 程逻辑器件c p l d 完成【埘 通过本方案组建的3 节点总线型拓扑结构和点对点拓扑结构实验，实现了光 纤c a n 总线网络，验证了c a n 总线接1 ：3 协议和接口电路的正确性，对进一步改 进光纤c a n 总线网络具有参考意义。总之，与光纤媒介相结合是c a n 总线自身 发展的必然趋势，具有现实意义和非常广泛的市场前景。 关键词：光纤，双绞线，c a n 总线，拓扑结构，c p l d 重庆邮电大学硕士论文 。a b s t r a c t ， i c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，ak i n do f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hi so f s e r i a l ，a s y n c b r o n i s ma n dm u l t i h o s t ，i so n eo f t h em o s tp o p u l a rf i e l db u s d u et oi t sh i g l ll e v e lo fp e r f o r m a n c eo nr e a lt i m e ，c a nb u sh a sb e e n e x t e n s i v e l ya p p l i e di ns e v e r a lf i e l d ss u c ha sa v i a t i o ni n d u s t r y , i n d u s t r i a lc o n t r o l ， s e c u r i t yd e f e n s ef i e l da n ds oo n e s p e c i a l l yi nt h er e c e n ty e a r s ，c a nh a sb e c o m ea p o p u l a rt e c h n o l o g yb e c a u s eo n g o i n gd e c r e a s e so fc h i pp r i c e a n di th a sb r o a d 。p r o s p e c t s c u r r e n t l y , t h em a j o r i t yo f c a nn e t w o r kt r a n s m i ts i g n a lo nw i r e 一h o w e v e r , i ti sf i b e ro p t i c st h a tc a nr e n d e rb u sn o d en o n ec u r r e n ts ot h a ti tc a i l b eh i 曲s p e c da n db r o a db a n d , w h i c he 1 1 s u r et h es e c u r i t yo f t h ed i g i t a lt r a n s m i s s i o n t h u s ，i fs u b s t i t u t i n gw i r ew i t hf i b e r , t h er u n n i n ga n dm a i n t e n a n c ec o s t sa r eb o u n dt o b er e d u c e db e c a u s et h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yf u n c t i o no fc a nn e t w o r k c o u l db ee n h a n c e dt oe x t e n di t st r a n s i td i s t a n c e sa n dp r e v e n tt h ei n t e r f e r e n c ef r o m a t m o s p h e r i cl a y e ra n dc h e m i s t r yc o r r o s i v e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oe m p l o yf i b e r a st r a n s i tm e d i u mi na l le f f o r tt oi m p r o v et h en a t u r a lc a p a b i l i t yo fc a nf u r t h e ra n d e x t e n di t sa p p l i c a b l ea l - e a b a s e d0 1 1t h ei n t r o d u c t i o no ft h ec a nc o n c e p ta sw e l la st h ef e a t u r eo f b r a e c a n ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e si nd e t a i lt h ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r ea n dt h e i n t e r f a c ep r o t o c o lo fc a nb u s ，p u t t i n gf o r w a r dt h ep r o g r a mo fc a nb u ss i g n a lo n f i b e ro p t i c sb yr e b u i l d i n gt h ep h y s i c a ll a y e ro fc a na n dp r o v i d i n gt h ed e t a i l e d d e s i g no ff oc i r c u i t t h el o g i cc o n t r o lo fc a nb u sn o d ew i l lb ec o m p l e t e db y c p l d ， 7 t h ep r o g r a mi nt h ea r t i c l e 曲憾t o p o l o g ys t r u c t u r ew i t h5n o d e sa n dp o i n tt o p o i n tt o p o l o g ys 咖c 慨r e a l i z e sf i b e r - c a nb u sn e t w o r ka n dv e r i f i e st h ei n t e r f a c e p r o t o c o lo fc a nb u sa n di 0c i r c u i t , w h i c hh a sb e e nar e f e r e n c ef o rf i l r t h e r i m p r o v e m e n to f f i b e r - c a nb u sn e t w o r k i ns h o r t , i ti sa ni n e v i t a b l et r e n df o rc a n d e v e l o p m e n tt oc o n n c g tf i b e r , w h i c hh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r o m i s i n g m a r k e l 、 重庆邮电大学硕士论文 摘要 k e yw o r d s ：c a nb u s ，w i r e , f i b e ro p t i c s , t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ；c p l d h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废邮电太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名； 敢欺 签字日期：伽，年妇7 日 _f “f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮电太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重庆鲣直太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) ， 曼：凳三翻篓日 芋字日期：1 一等g 月j 口日 签字日期。石犁、f 月歹，日 r 一 ， 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1c a n 概述阴 第一章绪论 控制器局域网( c a n ) 为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的 分布实时控制。与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠 性、实时性、灵活性和低成本性。由于其良好的性能及独特的设计，c a n 总线 越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，采用了c a n 总线 。 来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空 航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、 医疗器械及传感器等领域发展【2 】。 。 最初的c a n 规范没有明确规定其物理层的标准，曾大量采用r s 4 8 5 收发器作 为物理层接口。1 9 9 3 年，c a n 总线成为i s 0 1 1 8 9 8 国际标准 2 0 l 。从此，遵循 i s 0 11 8 9 8 标准的双绞线收发器逐渐成为主流，目前世界上绝大多数的c a n 网络。 都采用双绞线作为传输介质。 。 ， ， ，“ ， 1 2 组建光纤c a n 网络的必要性 ， 双绞线c a n 的特点是：技术上容易实现、造价低廉，理论上节点数无限制、 对环境电磁辐射有一定抑制能力。但随着频率的增长，双绞线线对的衰减迅速增 高；双绞线还有所谓近端串扰，即在发送线对和接受线对之间存在电磁耦合干扰 并且在恶劣的工业现场双绞线c a n 的抗e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 能 力仍不能满足需要。 。 在现代通信网中为了解决大容量、高速率数据传输问题，产生了光纤通信网。 与双绞线和同轴电缆相比，光纤的低传输损耗使中继之间距离大为增加除此以 外，光缆还具有不辐射能量、不导电、没有电感、不怕雷击、抗腐蚀、保密性好、 通信可靠性高、运行维护成本最低等特点嘲且光缆中不存在串扰以及光信号相 互干扰的影响，也不会有在线路“接头处”感应耦合导致的安全问题。随着光纤 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 通信技术的发展，光纤局域网已深入到军事，工业实时控制和办公自动化等应用 领域，为人们提供了现代数据通信的先进手段。 与光纤媒介的结合可以提高c a n 网络的性能、扩展c a n 总线的应用领域， 具有现实意义和非常广泛的市场前景口卯。 1 3 国内外研究现状 ， 欧洲粒子物理研究所较早采用c a n 总线光纤网络，即在加速器中的两个 c a n 总线节点之间采用光纤传输，以防止加速器设备上的9 2k v 高压影响c a n 总线的正常通信，但该方法不适合多个节点的c a n 总线光纤网络。m a r kl y n n 等 人讨论了在汽车应用中的光纤网络拓扑结构，其结论对研究c a n 总线光纤网络 的网络拓扑具有指导意义口7 】。瑞典的p a l b u s 项目研究了c a n 总线的双绞线介 质冗余技术，当某段双绞线电缆被切断时，能够迅速建立新的总线传输链路。j r u f m o 等人则给出了另外一种c a n 总线介质冗余方案，既可用于双绞线，又可 用于光纤，但实现较为复杂，且对系统的正常运行有一定的影响。a g i l e n t 公司 也开发了一系列针对控制网络的光纤收发器件，比较适合在c a n 总线网络中使 用。 、， 一 “ ， 目前，国内外基于光纤传输c a n 网络的文献资料较少，仅限于光纤c a n 的实现方案研究，已有提供支持光纤媒介的c a n 总线产品也很有限，大规模的 应用也仅限于汽车行业。采用c a n 网络和塑料光纤( p o f ：p l a s t i co p t i c a lf i b e r ) 的车辆已经问世德国宝马公司( b m wa g ) 2 0 0 2 年3 月上市的最高级新款轿 车b m w 7 系列中，采用5 0 mp o f 构筑车内局域网。戴姆勒克莱斯勒( d a i m l e r c h r y s i e r ) 从1 9 9 8 年1 1 月起，在最高档车型s 级中导入了连接导航设备等的信 息系统局域，不过，p o f 的最大长度只有1 5 m 。我国上海大众出产的p o l o 轿 车也采用c a n 总线网络技术 由于在传统c a n 技术上的领先优势，国外早已有公司研发出了基于光纤传 输的c a n 调制解调器( 转换器) 。例如b & b 公司的c a n c o p p e r t o f i b e r c o n v e r t e r c m 师b 和w r c 公司的f i b e ro p t i cc a nb u se x t e n d e r - - c a n r - d f - d n 。这些 产品已经很好的克服了传统双绞线给c a n 总线带来的限制，有效的防止了电子 电磁等环境干扰，但最大传输速率只达到5 0 0 k b i t s s ，由于其普遍采用多模光纤 一 2 。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 传输，通信距离也仅延伸至几公里。拓扑结构也比较单一，多是基于点对点传输， 对c a n 总线信号起到中继放大的作用。鲜见有适用于总线型和环型拓扑结构的 c a n 一光纤转换器产品。 目前，国内尚无实际组网的相关报道，但是已有科研机构提出了很好的实现 方案，例如武汉理工大学提出的针对车载光纤c a n 网络的双星拓扑结构，和提高 c a n 网络生存性的c a n 总线自愈环网。 但总的来说，目前基于光纤的c a n 网络技术在世界各工业中的应用尚处于 试验和起步阶段，除了汽车工业绝大多数领域还没有采用光纤c a n 总线设计。 所以光纤c a n 总线的研究和应用必将更加广泛而深入，并向智能化方向发展。 在技术、设计和应用上进行光纤c a n 总线的“深造”势在必行。 t 1 4 论文结构 “ ， 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章简述了c a n 的特性和应用领域，并针对于双绞线c a n 网络的缺陷， 分析了组建光纤c a n 网络的必要性。最后论述了国内外光纤c a n 总线网络的 研究状况。 。 第二章介绍c a n 总线的发展历程，详细阐述了c a n 总线网络的技术特性， 具体分析了c a n 总线上的通信结构与实现，并介绍了c a n 相关器件的发展与 分类。 第三章对光纤c a n 网络的各种可行拓扑结构进行了分析对比，并在提出 总线式拓扑结构下提出了光纤链路的设计准则。针对于课题要求的技术指标对光 收发模块提出设计要求。 第四章该章是介绍整体电路的具体设计，首先提出系统的设计方案，根据 c a n 总线的特性自定义光纤c a n 总线实现标准，并描述其实现原理。在此基础 上给出逻辑控制部分和光收发模块电路的软硬件设计 。 第五章本章给出了光纤c a n 总线网络的测试方案对光纤c a n 总线进行延 迟时间、点对点和总线式拓扑结构的功能测试，并分析其测试结果，验证了光纤 c a n 网络系统符合设计要求。 第五章总结了本文的研究工作和研究成果，并对本项目的进一步开发和完 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 善提出了自己的建议。 1 5 本章小结 本章简述了c a n 的特性和应用领域，并针对于双绞线c a n 网络的缺陷， 分析了组建光纤c a n 网络的必要性，论述了国内外光纤c a n 总线网络的研究 状况。最后简要介绍了本论文的结构。 4 重庆邮电大学硕士论文 “ 第二章c a n 总线网络 第二章c a n 总线网络 2 1c a n 发展历程明 c a n ，全称为“c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，即控制器局域网，是国际上应用 最广泛的现场总线之一。 c a n 最初出现在8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最先提出。当 时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电 子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连 接信号线。提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装 置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线， 所有的外围器件可以被挂接在该总线上，以提供车载各电子控制装置( e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t s ，e c u s ) 之间交换信息，形成汽车电子控制网络，其传输速度可 达1 m b i t s 。 1 9 8 3 年，德国b o s c h 开始研究新一代的汽车总线；1 9 8 6 年，第一颗 c a n - b u s 芯片交付应用；1 9 9 1 年，由德国b o s c h 公司发布c a n2 0 规范； 1 9 9 3 年，国际标准i s 0 11 8 9 8 正式出版；1 9 9 5 年，i s o l l 8 9 8 进行了扩展，从而 能够支持2 9 位c a n 标识符2 0 0 0 年，市场销售超过1 亿个c a n 器件。 c a n 2 0 规范分为c a n 2 0 a 与c a n 2 0 b 3 3 1 。c a n 2 0 a 支持标准的l l 位标 识符；c a n2 0 b 同时支持标准的11 位标识符和扩展的2 9 位标识符。c a n 2 0 规范的目的是为了在任何两个基于c a n - b u s 的仪器之间建立兼容性；规范定义 了传输层，并定义了c a n 协议在周围各层当中所发挥的作用。c a n 2 0 规范涉 及兼容性的不同方面，比如电气特性和数据转换的解释。 - ， 2 2c a n 网络的技术特性1 7 1 1 7 1 ， 国内传统的工业测控系统通信方式一般都采用b i t b u s 和r s 4 8 5 ，其缺点 是：无法构成多主结构，主节点任务繁忙，一旦主节点出现故障就可能引起系统 瘫痪；数据通信方式为命令响应式，数据传输效率降低，同时当下端出现异常时， 数据不能立即上传，灵活性极差，不适于实时性要求较高的场合；物理层采用较 5 重庆邮电大学硕士论文第= 章c a n 总线网络 、陈旧的r s 4 8 5 规范，链路层为s d l c 协议，总体来讲效率较低，灵活性差，尤其 是错误处理能力不强。 c a n 总线由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比， c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下： 1 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 其它节点发送信息，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特 点可方便地构成多机备份系统。 2 ) c a n 网络上的节点信息根据其报文i d 号的不同分成不同的优先级，可 满足不同的实时要求。， 3 ) c a n 采用非破坏性具有优先级控制的载波侦听及碰撞检测机制 ( c s m a c d ) 总线仲裁技术，信道中传输的是基带信号，并规定“0 ”为显性 位，“1 ”为隐性位，前者能覆盖后者。所以当几个节点同时发送消息时， 最先发出显性位的节点继续保持发送，而其它节点变为接收方式，从而大大 节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络 瘫痪情况。这些措施在保证了信道利用率的同时也提高了整个系统的实时 ， 性。 ” 4 ) c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种 方式传送接收数据，无需专门的“调度” 5 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。报文标识 符l1 位，可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符为 2 9 位，c a n 2 0 b 标准兼容c a n 2 0 a 标准。采用统一的标准和规范，使各设备 之间具有较好的互操作性和互换性，系统的通用性好。 。 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高 可达1 m b p s ( 1 比时通信距离最长为4 0 m ) ，c a n 系统内两节点之间的最大传 输距离与位速率有关。 t | 7 ) c a n 采用短帧结构，其中数据帧一次最多传送8 个字节的数据，传输时 间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据出错率极 低 6 + 重庆邮电大学硕士论文 第二章c a n 总线网络 9 ) 通讯介质可采用双绞线、同轴电缆、光纤，无特殊要求；现场布线和安 装简单，易于维护，经济性好 1 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他 节点的操作不受影响。同时，不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，增强了 系统的灵活性和可扩展性； 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低 廉等优点，克服了传统的工业总线的缺陷，是工业测控系统通信一种有效的解决 方案。 2 3c a n 总线上的通信结构与实现【2 l 】【3 1 】 ， c a n 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式，c a n 层的定义与开放 系统互连模型( o s i ) 一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通 讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。 c a n 的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。应用层协议可以 由c a n 用户定义成适合特别工业领域的任何方案。物理层的作用是在不同节点 之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。当然，同一网络内，物理层 对于所有的节点必须是相同的。c a n 能够使用多种物理介质，例如双绞线、同 轴电缆、光纤等。最常用的就是双绞线( w i r e ) ，双绞线c a n 总线网络的拓扑 结构如图2 1 所示“ 图2 i 双绞线c a n 总线网络的拓扑结构图 。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章c a n 总线网络 图中c a n 控制器为s j a l 0 0 0 ，其输入输出电平为r 几电平c a n 收发器 为8 2 c 2 5 0 ，它对总线提供差动发送能力，对c a n 控制器提供差动接受能力； 即8 2 c 2 5 0 实现t t l 电平和c a n 总线差动信号之间的相互转换，使总线具有较 强的抗e v i i 特性。 信号使用差分电压传送，两条信号线被称为 c a n _ h ”和“c a n _ l ，静态时 均是2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑“l ”，也可以叫做“隐性”。用c a nh 比 c a n l 高表示逻辑0 ，称为“显形”，此时，通常电压值为；c a nh - - 3 5 v 和 c a n _ l = i 5 v 。c a n 总线中各节点通过“线与”逻辑关系连接到总线上，逻辑0 可以覆盖逻辑“l ”，当某一节点发送的标识符中某位为“1 ”，而其它节点发送标 识符的相应位为o ”时，发送“l ”的节点会失去仲裁，主动退出竞争并转为接收 状态，从而避免总线冲突。 4 。 图2 2 双绞线c a n m 络发送端t x 0 和接收端r x 0 工作波形图 c a n 总线多主站依据优先权进行总线访问，节点间数据传送不冲突。当图 重庆邮电大学硕士论文第二章c a n 总线网络 2 1 中节点1 为发送节点，节点2 2 为接收节点时，t x 0 1 、r x 0 1 、t x 0 2 和r x 0 2 各点的工作波形如图2 所示从图2 2 中可见，当节点l 的t x 0 1 发送数据帧时， 由于收发器8 2 c 2 5 0 的存在，使该节点的接收端r x 0 1 同时从总线上监听到自己 发送的数据，当r x 0 1 收到的数据和自己发送的数据相同时，发送节点l 认为 数据发送正确。从图2 2 中还可看出，节点2 的r x 0 2 端接收到节点l 发送的数 据同时，且节点2 的c a n 控制器还收到匹配的c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 循 环冗余码检验) 时，接收节点2 将发送节点1 在应答间隙位发送的隐性电平改写 为一个显性电平( 即t x 0 1 应答间隙位的高电平l 由t x 0 2 此时发送的低电平0 改写，使所有的r x 0 端接收的应答间隙为低电平。如图2 2 中节点2 发送端 t x 0 2 发送一个正确的应答信号( 低电平) 。此时，发送节点r x 0 1 仍在监听总线， 当节点l 的r x 0 1 在数据帧的尾部应答场中收到这个应答信号( 低电平) 时，发送节点认为网络中至少有一个接收节点完整正确的接收到信息，发送节 点认为数据接收正确。通过实验还得出结论：当发送节点l 认为发送不正确( i l x 0 1 端接收不到t x 0 1 端的信号) 时，发送节点1 将停止发送；当发送节点l 认为发 送正确，但接收不正确( r x 0 1 端接收不到节点2 发送的应答位信号) 时，发送节 点l 将重新发送数据【1 0 1 ? 1 综上所述，当某一个节点取得总线的控制权，成为发送节点时，该节点完 成两项工作：发送数据和监听总线数据发送和接收是否正确。具体过程是：本节点 的t x 0 发送数据。该节点r x 0 端首先接收总线上的数据并与自身发送的数据进 行比较，若r x 0 = t x 0 。则数据发送正确；随后发送节点r x 0 端继续监听总线数 据，若在该数据帧应答场中应答间隙位为低电平0 ，则认为数据接收正确。对 于总线上的接收节点而言，它也应完成两项工作：接收数据和发送应答信号。接 受节点r x 0 首先接收数据，当它接收到匹配c r c 检验码，则认为数据接收正 确；随后它立即通过t x 0 端发送应答信号位( 一个低电平) ，改写该数据帧应答 间隙位，表示数据已被正确接收。注意无论是发送节点还是接收节点，所有节 点r x 0 端接收的信号相同 2 4 c a n 器件1 7 】 。 c a n 是基于i s o o s i 的网络层定义的，但其主要是采用三层网络的结构： 重庆邮电大学硕士论文 第二章c a n 总线网络 物理层、数据链路层、应用层。其中应用层又包括了前两者之外其他多层的内 容。因此，在器件方面就有三种不同的器件对应相应的层。对应物理层的是收 发器( t r a n s c e i v e r ) ，主要功能是物理信号传输、位编码解码、位定时及同步等。 对应数据链路层的器件是c a n 控制器( c o n t r o l l e r ) ，主要功能是总线仲裁( 数 据传输和远程数据请求服务) 、信息分段、滤波及过载通知和恢复管理等。在应 用层上主要是用户特殊的应用，对应的器件是m c u 。 b o s c h 公司在推出c a n 协议后，便积极与世界上各大半导体器件生产厂 家合作，迅速推出各种集c a n 协议的产品。8 0 年代末，i n t e l 公司率先研制 出c a n 总线通信控制器8 2 5 2 6 ，随后p h i l i p s 公司推出c a n 总线通信控制器 8 2 c 2 0 0 ，这两种芯片都可以方便地与i n t e l 系列单片机和m o t o r o l a 系列 单片机连接。通过c a n 总线，可将单片机为核心的电子控制单元方便地构成一 个分布式控制系统。这两种芯片的出现，极大地推动勒c a n 总线地应用研究。 9 0 年代初期，p h i l i p s 公司考虑到现场控制系统地特点，以m c s - - 5 1 系列单， 片机为核心，将a d 、p w m 以及c a n 通信控制器等功能模块集成在一起，开 发出单片机系列8 x c 5 9 2 ，使c a n 总线应用技术向成熟发展。c a n 协议2 0 版 成为一个相对稳定的版本。c a n - - 2 0 版本分为a 和b 两部分。c a n - - 2 0 a 与 原c a n 1 2 版一致。c a n - - 2 o b 是c a n 1 2 版的增强，称为扩展c a n 。配 合c a n - - 2 0 1 3 ，i n t e l 公司开发了新的c a n 通信控制器8 2 5 2 7 。8 2 5 2 7 即满足 c a n - - 2 0 b ，又与c a n - - 2 0 a 兼容，可方便地与8 位机或1 6 位机、i n t e l 系 列或m o t o r o l a 系列单片机直接连接，为用户提供了极大地方便。目前，除 i n t e l 、p h i l i p s 公司外，m o t o r o l a 、s m m e n s 以及n e c 等公司都推出相 应地c a n 总线芯片产品。0 2 年数据，全球市场上大约有一亿只c a n 收发器。 平均一辆车上有1 2 个到1 5 个低速c a n 收发器，4 到5 个高速c a n 收发器。 “ 表2 1 ：世界主要c a n 器件提供商及其产品 制造商产品型号功能特点 玳1 e l$ 2 5 2 6c a n 通信控制器，符合c a n 2 o a 8 2 5 2 7c a n 通信控翎器，符合c a n 2 o b p h 几i p s8 2 c 2 0 0c a n 通信控制器，符合c a n 2 o a 8 x c 5 9 28 0 5 1 单片机+ c a n 通信控制器+ d + p w m 等，符合c a n 2 o a i o 重庆邮电大学硕士论文 第二章c a n 总线网络 8 x c e 5 9 28 0 5 1 单片机+ c a n 通信控制器+ a d + p w m 等具有电磁兼容性，符合c a n 2 0 一a 8 2 c 1 5 0带有数字模拟输入输出功能地c a n 器件，可用 于传感器或执行机构，符合c a n 2 o a 8 2 c 2 5 0c a n 总线收发器，可用于c a n 器件和物理总线 间的连接 m o t o r o l a6 8 h c 0 5 x 46 8 h c 0 5 单片机+ c a n 通信控制器，符合 c a n 2 o a 6 8 h c 0 5 x 1 66 8 h c 0 5 单片机+ c a n 通信控制器，符合 c a n 2 o a s 砸m e n s8 1 c 9 0 ，9 lc a n 通信控制器，符合c a n 2 o a c 1 6 7 c 单片机+ c a n 通信控制器，符合c a n 2 o a 屉 n e c 7 2 0 0 5c a n 通信控制器，符合c a n 2 o a b s i l i o n is 1 9 2 0 0c a n 总线收发器 c a n 分为高速和低速c a n 总线，低速c a n 的总线速度为1 0 k b - 1 2 5 k b s ， 高速为2 5 0 k b 1 m b s 。不同速度的c a n 应用也不同。以汽车工业的c a n 为例， c a n 总线系统是将发动机控制与变速箱连接在一起，因为汽车在换档时需要发 动机变换扭矩，以保持汽车行驶的平稳性。高速c a n 应用在发动机、变速箱、 a b s 等实时性要求强的控制模块，低速c a n 主要是运用在车身控制模块领域。 2 5 本章小结 本章介绍c a n 总线的发展历程，详细阐述了c a n 总线网络的技术特性， 具体分析了c a n 总线上的通信结构与实现，并介绍了c a n 相关器件的发展与 分类。 ，。 重庆邮电大学硕士论文第三章光纤c a n 总线网络的研究 第三章光纤c a n 总线网络的研究 3 1 光纤c a n 网络的拓扑结构 对光纤网来说，“媒质层”非常重要并且包含着许多技术问题，它主要体现 在所使用的传输媒介的特性和光纤链路的相互连接，即拓扑结构上。下面就光 纤媒介实现的可行拓扑方案作一讨论。 光纤局域网的基本拓扑结构有，总线型、环型( 单环、双环) 、星型( 有 源、无源) 【2 川。他们都各有利弊，一个好的方案，包括它的底层软硬件的如何 设计，能够方便地构成总线光纤适配器并充分实现c a n 网的功能。在决定选 择哪一种拓扑结构时，需要考虑该拓扑结构支持的最大节点数量、引起的信号 延迟、系统的容错性和成本、以及应用系统的一些特殊要求等。在o s i 七层模 型中，“媒质层”还不算正式的一层；但是对光纤局域网来说，它占有重要的 ，地位且包含着许多技术和设计问题。 一 。 3 1 1 总线型 ，_ ； 。 ， ” 总线型网中，各节点是并行挂接在总线上的。这种连接方式的优点是节点 上下网比较方便，某个节点出故障或损坏不会影响其它节点的正常工作，可 靠性好另外由于节点构成比较简单， 线形总线的传输速率很快，所以容易 ， 实现高速总线网；缺点是在无源总线网中。一个节点发送的光信号必须经总 线分配给所有其它节点， 因此， 相当大的总线损耗限制了网径和网的容量。 采用光中继器( 转发器) 、光放大器或网桥能够在一定程度上克服这一缺点，然 而同时网络构成简单的优点也就失去了有源总线网络在每个节点的接口电路 处对光信号起到再生放大作用，克服了无缘总线网的上述缺点，但是由于每个 节点的接口电路需要经过光一电一光的转换，使总线在时间上增加了延迟，所 以应用有源光纤总线网络要计算和控制好网络的延迟时间，达到系统的延迟要 求。 + 一 图3 1 为有源总线型拓扑结构 ， 重庆邮电大学硕士论文 第三章光纤c a n 总线网络的研究 3 1 2 环型【2 0 】 图3 1 总线型拓扑结构 环型网与总线网正好相反，它的节点是串行连接在环线上的。节点之间信 号的传送是点对点和接力式的。优点是数据传输速率快，节点结构简单，并且 网络的节点容量大，网的周长可达2 0 0k m ，可串联节点多，比总线网大一个 数量级。不过由于数据信息要通过中间节点转发，因此它有一个很大的缺点是 一个节点或一段线路损坏就使整个网络瘫痪，可靠性差。尽管可以采用双环， 多环或冗余线路和设备来克服，但这又使环形网节点软硬件结构都比较复杂， 代价高，设计、制作困难。 图3 2 单环拓扑结构 图3 3 双环拓扑结构 重庆邮电大学硕士论文第三章光纤c a n 总线网络的研究 3 1 3 星型【3 0 1 星型网则存在一个中心节点，任何两个节点之间的通信都要经过中心节 点。这种构形的优点是结构简单，容易建网，便于管理。但由于通信线路总 长度较长，成本高。同时对中心节点的可靠性要求高，一旦出故障将会引起 全网瘫痪。而且由于通信数据都要经过中心节点处理，容易在此处形成“瓶颈”， 影响整网通信速度，因此对中心节点的速度要求也较高。 图3 a 星形拓扑结构 、 以上三种拓扑中以环型与总线型应用最为普遍、实用，并且在基本拓扑上 可以组合成多种复合拓扑结构。， ，。 尽管c a n 协议本身也支持光纤介质通信，。但由于c a n 网是总线型，而 光纤的信号传输是单向的，最适用的网络拓扑结构是总线型和环型。 同时，c a n 网m a c 层的总线仲裁是具优先级的非破坏性c s m a ，而 常用的环网m a c 层仲裁技术是令牌传递。由于c a n 标准的特点，在环网上实 现有一定的难度，作为课题下一步的研究目标。为了保证光路的畅通、灵敏， 并符合c a n 网络的延时要求，作为“c a n 总线光纤收发组件”的初样产品，本 课题方案暂定采用总线型拓扑结构。 * 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章光纤c a n 总线网络的研究 3 2 光收发模块的设计要求【4 】 f ， 3 2 1 光发射模块 3 2 1 1 概述及基本原理 光发射机( 模块) 是数字光纤通信系统中的三大组成部分( 光发射机，光 纤光缆和光接收机) 之一。其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数 字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件的尾纤发射出 去。 ，在数字光纤通信系统中，光源发出的光可以看作是光频载波，经过调制， 使其载荷信息，一般采用直接调制的方式。光发射机依靠光源器件一一激光器 。( l d ) 或发光二极管( l e d ) 将电脉冲信号变换成光脉冲信号，因此光源器件 是光发射机的核心部分，它的性能直接影响着光发射机的主要性能指标。光源 驱动电路是光发射机的主干电路，它将电脉冲信号通过电流强度的调制方式来 调制光源发出光脉冲信号。 一个性能完善的光发射机，一方面是需要能够适应数字光通信特点的性能 先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进的电子线路 技术进行恰到好处的控制与防范。 因为数据信号通常是电压信号，而驱动l d 需要电流信号，所以需要将电压 信号调制成电流信号输出，这通常是利用三极管的开关特性来实现。光发射模块 电路原理图见下图。 。 r ” ， jf 、， ， - 。 二 重庆邮电大学硕士论文 第三章光纤c a n 总线网络的研究 图3 5 光发射模块电路原理图 工作原理：偏置电路为激光器提供偏置电流，数据输入数据缓冲区，经过 处理后被时钟信号经驱动电路调制，形成驱动电流，驱动激光器输出光信号， 完成数据发射。 3 2 1 3 光发射模块中的光源器件， 光源器件作为光发射模块的核心部分，应满足以下要求： 1 ) 体积小，与光纤之间有较高的耦合效率； 2 ) 发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即o 8 5 微米、1 3 l 微 米和1 5 5 微米波段； 3 ) 可以进行光强度调制； 4 ) 可靠性强，工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长 稳定性和光谱稳定性； 。 ， 5 ) 发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离； 6 ) 温度稳定性好，即在温度变化时，输出光功率以及波长的变化应在允许 ， 的范围内。 能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管激光器，其中最常用的是发 光二极管激光器( l e d ) 和激光二极管激光器皿d ) 前者可用于短距离、低容量或 模拟系统，其成本低、可靠性高：后者适用于长距离、高速率的系统。两者性 能系统比较如表3 1 ： 。 重庆邮电大学硕士论文第三章光纤c a n 总线网络的研究 表3 i 激光二极管与发光二极管性能对照表 激光二极管 发光= 极管 - 输出功率较大，几m w 几十m w输出功率较小，仅为i m w 2 m w 带宽大，调制速率高，几百m h z 几带宽小，调制速率低，几十m h z 十g h z 2 0 0 m 艄- z 光束方向性强，发散度小光束方向性差，发散度大 与光纤的耦合效率高，可以达到8 0 与光纤耦合效率低，仅百分之几 光谱较窄光谱较宽 制造工艺难度大，成本高 。 制造工艺难度小，成本低 要求光功率稳定，需a p c 和a t c可工作在较宽温度范围内 输出特性曲线的线性度较好在大电流下易饱和 有模式噪声无模式噪声 可靠性一般 可靠性较好 工作寿命短工作寿命长 根据l e d 和l d 的性能，在选用时应根据实际需要综合考虑来决定，做 到技术上和经济上合理以便于应用。 r 有鉴于l d 相对于l e d 的诸多优点，在本课题的设计中当然采用l d 作为 光源器件。 。 。 3 2 1 4 半导体激光器的特性 。 半导体激光器的特性，主要包括阈值电流i 血、输出功率p o 、微分转换效率 t 1 、峰值波长k 、光束发散角0 上与0 ，、脉冲响应时间t r 与t f 等此外还包括 工作电压、工作温度等参数。其中p i 特性是半导体激光器最重要的特性，当 注入电流i