光纖CAN總線通信技術(shù)研究
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CAN 控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network)起源于德國 Bosch 公司，由于其獨(dú)特的多主非破壞逐位仲裁機(jī)制、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸、良好的開放性、較高的性價比、國際范圍的標(biāo)準(zhǔn)化和廣泛的器件來源，迅速在眾多工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為發(fā)展最快、最具前途的現(xiàn)場總線之一。
CAN 總線作為一種應(yīng)用越來越廣泛的現(xiàn)場總線，一直以來都是采用金屬雙絞屏蔽線作為組網(wǎng)傳輸介質(zhì)，盡管采用差分方式傳輸?shù)?CAN 總線已經(jīng)具有較好的抗干擾能力，但是，對于一些特殊場合，如：電磁環(huán)境惡劣、高電壓、強(qiáng)磁場等應(yīng)用場合，金屬雙絞屏蔽線的 CAN 網(wǎng)絡(luò)就無法適應(yīng)了。近年來，隨著光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，光纖作為新興的信息傳輸介質(zhì)，具有獨(dú)特的免電磁干擾特性和抗惡劣環(huán)境、不輻射電磁波、不導(dǎo)電的優(yōu)良品質(zhì)。因此，本文在分析了雙絞線 CAN 總線特性的基礎(chǔ)上，提出一種新型的光纖 CAN 總線接口和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，以促進(jìn)光纖 CAN 總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
金屬雙絞線 總線接口特性分析
典型的金屬雙絞線 CAN 總線接口電路如圖 1所示。 收發(fā)器 PCA82C250 是設(shè)備中 CAN 總線控制器SJA1000和外部雙絞屏蔽線CAN總線網(wǎng)絡(luò)之間的接口。它向總線提供差分驅(qū)動，它的主要功能是將CAN 總線控制器 TX0 端輸出信號的 TTL 電平變換為 CAN 總線上的“隱性”(邏輯“1”)或“顯性”(邏輯“0”)；并將 CAN 總線上的邏輯電平變換為 CAN總線控制器可以識別的 TTL 電平，從 RX0 端輸入。其真值表見表 1。 收發(fā)器發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的原理詳見參考文獻(xiàn)［1］。除了上述收發(fā)器的功能之外，CAN 總線接口還具有下列重要特性。
1)“線與”功能：當(dāng) TXD=‘1’發(fā)送“隱性”電平時，驅(qū)動器使 PNP 管和 NPN 管截止，總線的狀態(tài)由其它節(jié)點(diǎn)的輸出狀態(tài)決定，只有當(dāng)總線上所有節(jié)點(diǎn)都輸出“隱性”位時，總線狀態(tài)才為“隱性”；否則，只要有一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送“顯性”位，網(wǎng)線 CANH 被鉗位在高電平，CANL被鉗位在低電平，則此時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)必為“顯性”位。故收發(fā)器 RXD 端的信號是所有節(jié)點(diǎn) TXD信號“相與”邏輯運(yùn)算的結(jié)果；
2)“在線監(jiān)聽”功能：控制器從 TX0 端發(fā)出的信號，通過收發(fā)器在總線上“線與”后，從 RXD輸出給控制器 RX0 端接收，實(shí)現(xiàn)總線的“在線監(jiān)聽”功能；
3)節(jié)點(diǎn)故障保護(hù)功能：當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)故障時，CAN總線控制器可能連續(xù)發(fā)送“顯性”位“霸占”總線，造成系統(tǒng)癱瘓，此時，收發(fā)器中的保護(hù)電路將自動將本節(jié)點(diǎn)斷開；
4)非破壞逐位競爭總線仲裁機(jī)制：該機(jī)制是利用CAN 控制器的“在線監(jiān)聽”和收發(fā)器的硬件“線與”功能，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)發(fā)生競爭，逐位同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報文標(biāo)識符時，如果控制器發(fā)送出去的位值和“在線監(jiān)聽”讀回的位值一致，則繼續(xù)發(fā)送下一位參與競爭；如果發(fā)送出去的位值和“在線監(jiān)聽”讀回的位值不一致，即本節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級低(數(shù)值大，該位值為 1，即隱性)，則控制器判定本節(jié)點(diǎn)退出競爭。
總體設(shè)計
3.1. 系統(tǒng)構(gòu)型
目前，已經(jīng)研究和開發(fā)出來的光纖 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)主要有總線型、環(huán)形和星型等網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，且基本采用雙光纖分別實(shí)現(xiàn)信號的收/發(fā)功能。本文提出了一種新型的基于集線器形式的單光纖 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，屬于星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，采用點(diǎn)對點(diǎn)方式通信。
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