一種CAN總線光纖傳輸接口設(shè)計(jì)

　　綜上所述，假設(shè)信號(hào)在光纖中的傳輸時(shí)間為t傳輸，信號(hào)傳輸中因光電轉(zhuǎn)換造成的延遲時(shí)間為t光電延遲，CAN節(jié)點(diǎn)同步及內(nèi)部延遲為t內(nèi)部延遲，則應(yīng)滿足以下關(guān)系：

　　t傳輸+t光電延遲+t內(nèi)部延遲

　　式中，對(duì)于給定長(zhǎng)度和波特率，光纖傳輸時(shí)間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)部延遲時(shí)間是確定的，因此要盡量縮短光電轉(zhuǎn)換的延遲時(shí)間，即對(duì)CAN信號(hào)編解碼算法提出了特殊要求，要盡量縮短編解碼的延遲時(shí)間。

　　3.2編碼、解碼方案

　　光纖傳輸中常采用的信號(hào)編碼有CMI碼、擾碼、8B/10B碼等。雖然這些編碼都能提供豐富的時(shí)鐘信息，但是由于CAN總線的總線仲裁是具有優(yōu)先級(jí)的非破壞性CSMA，這個(gè)特點(diǎn)決定了信號(hào)經(jīng)過(guò)編解碼后的延遲要盡可能得小。提出一種1B/16B編碼方法，編、解碼規(guī)則如下：

　?。?）編碼規(guī)則

　　邏輯1――1110101010101010

　　邏輯0――0001010101010101

　　具體做法是，用是待編碼比特流波特率16倍的時(shí)鐘頻率對(duì)其每位進(jìn)行采樣，每一位采樣16次，然后根據(jù)約定好的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼。這樣就將原比特流的一位編碼成新的16位傳輸，每位的長(zhǎng)度是原來(lái)位時(shí)間的1/16，而總的位時(shí)間不變。編碼后的信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)的連1或連0（最長(zhǎng)的連1或連0為4位）。

　　（2）解碼規(guī)則

　　邏輯1――連續(xù)采樣3個(gè)1

　　邏輯0――連續(xù)采樣3個(gè)0

　　具體做法是，用是經(jīng)編碼后比特流波特率3倍的時(shí)鐘頻率對(duì)編碼后的信號(hào)進(jìn)行采樣（即一位采3次，取2次以上一樣的作為本次采樣最終結(jié)果）。如果連續(xù)采到3個(gè)1，則解碼輸出為1;如果連續(xù)采到3個(gè)0，則解碼輸出為0。

　　從1B/16B編碼、解碼方法可以看出，經(jīng)過(guò)編碼之后，CAN信號(hào)流中不存在長(zhǎng)時(shí)間的相同電平信號(hào)，有豐富的跳變沿供時(shí)鐘提取電路捕獲信號(hào)頻率;解碼時(shí)利用了編碼信號(hào)流中的特征碼，即連續(xù)3個(gè)以上的相同電平信號(hào)，采樣到連續(xù)的3個(gè)1或3個(gè)0就得到解碼結(jié)果。實(shí)際上，采用這種編解碼方法，一位編成為16位后，只有前3位是有用的信息，其余的都是冗余碼;但是這樣做可以縮短編解碼的延遲時(shí)間，以滿足CAN總線仲裁特性的要求。

　　3.3編碼、解碼器的實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)中采用可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的編解碼，具體選用Altera公司的FLEX10K10系列FPGA;軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用的是QuartusII5.0和ModelsimSE5.8（第三方仿真工具）;開(kāi)發(fā)語(yǔ)言使用硬件描述語(yǔ)言VHDL。編碼、解碼器的硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　邏輯功能的波形仿真結(jié)果如圖6所示。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　通過(guò)兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該CAN光纖傳輸接口的正確性。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　CAN通信節(jié)點(diǎn)使用光纖介質(zhì)，與USB-CAN通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并在PC機(jī)上顯示通信情況。在CAN總線各波特率下進(jìn)行了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明該CAN光纖傳輸接口原理正確，具有可行性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得信號(hào)編、解碼以及光電轉(zhuǎn)換的延時(shí)時(shí)間（即t光電延遲），見(jiàn)表1。

5采用光纖對(duì)CAN總線通信性能的改善

　　下面結(jié)合上述光電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)要討論一下當(dāng)使用光纖替代雙絞線作為通信介質(zhì)后，CAN總線在通信性能上的改善。

　　在給定波特率下，光纖傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離L與信號(hào)在光纖中的傳輸時(shí)間t傳輸之間滿足以下關(guān)系：

　　L=V光纖×t傳輸

　　式中：V光纖為信號(hào)在光纖中的傳播速度。電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為V=C/n（C為光速，n為介質(zhì)的折射率），光在光纖中的傳播速度近似為260m/μs，電磁波在雙絞線中的傳播速牢大致為200m/μs。這里取t內(nèi)部延遲=0.4×t位時(shí)間，則可以估算出光纖傳輸時(shí)CAN總線的最大距離，如表2所列。采用光纖作為傳輸介質(zhì)，CAN總線的最大傳輸距離能夠提高約40%。

　　從表2中可以看，由于CAN總線通信速率較低及非破壞性總線仲裁的特點(diǎn)，使用光纖傳輸介質(zhì)，其傳輸距離的增加并不十分明顯，沒(méi)能充分發(fā)揮光纖傳輸大容量、遠(yuǎn)距離的優(yōu)勢(shì)。但是使用光纖仍然有它巨大的潛力：

　?、儆捎谝话汶姶泡椛涞念l譜和光波的頻譜相距甚遠(yuǎn)，它不會(huì)疊加到光信號(hào)上或混入光信號(hào)中，也很難進(jìn)入光纖芯內(nèi)影響光信號(hào)的傳送。因此，光纖通信系統(tǒng)特別適合于在有強(qiáng)烈電磁干擾的地區(qū)或場(chǎng)合中使用，諸如電力系統(tǒng)、電氣化鐵道中的通信系統(tǒng)等。

　　②由于光纖的主要材料為二氧化硅，所以它比以銅為材料的電纜抗化學(xué)腐蝕和氧化等的性能強(qiáng)，即光纖的化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，特別適宜在有腐蝕的區(qū)域（如化工廠等）使用。

　　③光纖的尺寸小，重量輕，因此，光纖通信系統(tǒng)特別適合在一些空間有限的地方使用，比如船艦、飛機(jī)、車(chē)輛、火箭、導(dǎo)彈等場(chǎng)合。這在國(guó)防軍事上有十分重要的意義。

結(jié)語(yǔ)

　　CAN總線應(yīng)用范圍的日趨廣泛，能夠適應(yīng)越來(lái)越復(fù)雜的環(huán)境，特別是一些強(qiáng)干擾、遠(yuǎn)距離、地理分布不均、工作環(huán)境惡劣的應(yīng)用場(chǎng)合。傳統(tǒng)的雙絞線已不能滿足需要，采用光纖介質(zhì)不但能解決這些問(wèn)題，而且給CAN總線應(yīng)用帶來(lái)更大的靈活性。實(shí)現(xiàn)光纖傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是光纖傳輸接口的設(shè)計(jì)，本文提出了一種基于光纖收發(fā)一體模塊的接口方案 及其實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)于在CAN總線這樣速率較低的現(xiàn)場(chǎng)總線中使用光纖傳輸具有一定實(shí)用價(jià)值。