光纤CAN总线自愈环网的研究

CAN控制器选择左通道数据接收时，输出端rx_l／r为高电平；当本节点CAN控制器选择右通道数据接收时，输出端rx_l／r为低电平。输入端reset为复位端，低电平有效；clk0为时钟输入端，输入时钟的频率为20MHz。

图2

    2．2 CPLD功能结构

CPLD为控制环网自愈接口单元，控制电路由分频器、中心状态机、发送数据选择器、接收数据选择器组成，如图4所示。

2．3 分频器

通讯接口CPLD时钟频率为20MHz。在光纤CAN自愈环网中，各节点CAN控制器SJAl000和CPLD接口采用独立的工作时钟。为使状态机产生的flag的信号与CAN控制器数据传送同步，以保证两个数据选择器的切换和数据传送同步，应正确选择状态机的时钟。本文中CAN网数据传送波特率是125kbit／s，状态．机时钟rxclk的速率设计为数据传送波特率的8倍，即1Mbit／s，保证在一个CAN数据位周期中可对数据读取多次，提高抗干扰能力。所以分频器的功能为产生1MHz的时钟频率。

2．4 中心状态机

依据CAN 2．0B协议，CAN网络数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束。数据场长度可为0～8个字节。帧起始位是一个显性位低电?quot;0"；帧结束是由7个隐性位"1"组成的序列；在数据帧传送中，使用位添充技术编码，保证数据帧位流中不会出现5个连续的"1''或''0"。

中心控制状态机是本设计的核心单元。中心状态机的功能是：(1)，检测CAN数据帧的帧起始和帧结束，产生相应的发送数据标志信号flag_txd、flag_r和flag_l。(2)产生网络通信状态标志sync_r和sync_l。中心状态机由：三个状态机组成：本节点CAN控制器状态机、左通道状态机和右通道状态机。它们分别判别各通道(TX、PIN_L和PIN_R)是否有数据传送。下面对各处状态机的解释均以本节点CAN控制器状态机为例。
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    各状态机设置了61个状态， 即idle、S1、S2、S3…S60。当总线空闲时，状态机处于空闲态idle，此时rxclk上沿到来，检测到txd=0时，状态机转向S1，同时发送数据标志置位信号flag_txd="1"；第二上沿时，状态机无条件转向S2；第三上沿时，状态机无条件转向S3；第四上沿时，状态机无条件转向S4；第五上沿到来时，此时是数据位的中央位置，数据稳定，对数据再次读取，若txd="0"的条件仍成立，表示帧起始到来，状态机转向S5；否则flag_txd="0"，同时状态机转向空闲态idle，等待帧起始的到来。

当状态机处于S5时，此后rxclk(1MHz)每过一个时钟周期，状态机状态前进一步(S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、……、S58、S59、S60)；每过8个时钟周期，对CAN总线上的数据位进行一次检测(S12、S20、S28、S36、S44、S52、S60)，保证每次检测在数据位(位周期)中央。当连续7次txd="1"时，检测到"1"表示"帧结束''到来，发送数据标志复位flag_txd="0"，等待下一次帧起始的到来；否则状态机返回状态S5，等待帧结束的到来。

网络通信状态sync_r、sync _l是进行环网自愈的重要依据。如上所述，当左右通道发送数据状态标志flag="1''时，各通道网络通信状态sync="1"，网络状态发光二极管D_sr、D_sl亮；当帧结束到来时，flag="0"，启动网络通信状态计数群count，其时钟为rxclk=1MHz，当计数器为30000时(30ms)，sync="0"，网络状态发光二极管D_sr、D_sl灭。这表示某数据帧传输后，如果再也检测不到其它数据帧起始，则网络出了故障。如果在30ms内能检测到数据帧起始(flag置位)，网络通信状态标志sync持续为"1"。 计数器达到满值的时间应为估算的帧间最短时间间隔。

2．5 数据选择器

发送数据选择器和接收数据选择器的功能是实现链路搭建(即通道选择)。为保证网络正常工作，CAN网络延时应小于一个数据宽度(位周期)。为使链路搭建时间尽可能短，使用最高时钟频率(20MHz)控制两个数据选择器。

在发送数据选择器中，CPLD检测三路通道数据txd、pin_l、pin_r。各通道数据具有不同的优先级。优先级的设置为：当本节点发送数据(txd="0"或flag_txd="1'')时，左右通道发送CAN控制鞣⑺投薚X的数据，即led_r=txd，led_l=txd。若本节点不发送数据，则依据sync_r和sync_l选择发送数据，当左右通道均正常时，选择对侧数据发送，led_r=pin_l，led_l=pin_r。如果某通道故障，接收不到对侧数据，则选择本侧数据发送，led_l=pin_l，led_r=pin_r。据此，不仅实现了网络自愈，也消除了环网阻塞问题。
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    在接收数据选择器中，设定左通道为首选接收通道；当左通道数据未到时(flag_l="0'')或左通道故障时，不需人为干预，自动选择右通道接收。据此实现了接收优化(选择优先到达通道数据接收)以及光纤CAN总线双环网的自愈功能。

在电动车内组建光纤CAN自愈环网，采用塑料光纤作为传输介质，塑料光纤在可见光区有低损耗窗口，选用工作波长为650nm(红光)的光／电转换模块--Agilent公司生产的光发送器HFBR-1528和光接收器HFBR--2528。各节点CAN控卸器选用SJAl000或带CAN控制器的TMS320LF2407 DSP芯片，组成4个节点车载光纤CAN自愈环网。CAN网络的数据传送速率设置为125kbit／s，当设置某条通道故障时，网络能实现图2(b)所不的自愈功能；当设置任意节点之间的两根光纤故障时，网络能实现图2(c)所示的自愈功能。当CAN节点故障时，接口电路仍能保证双环网正常工作；但当接口电路故障时，将导致本节点脱离总线，其它节点实现网络自愈，构成单环网。通过示波器观测波形，发送节点通过总线竞争发送数据；接收节点能向总线上发送应答信号；节点数据通过4节点光纤CAN自愈环返回原节点的时间小于100ns。经测试，通道故障网络自愈时间为301ms。

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