一种光纤CAN总线自愈环网接口装置 技术领域
本发明属于一种光纤CAN总线的接口装置，特别是一种光纤CAN总线环网的接口装置，具体地是一种光纤CAN总线自愈环网接口装置。
背景技术
CAN(Controller Area Network)总线是德国Bosch公司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。当工作环境特别复杂时，为提高CAN网的抗干扰性能力和性能，采用光纤作传输介质。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、环形和星形。在光纤CAN单环网络中，节点或链路的故障可能造成网络的瘫痪。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为提高光纤CAN环网的生存性，提供一种具有自愈功能的光纤CAN总线自愈环网接口装置，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明由多个CAN控制器构成光纤环网，其特点是：在每个CAN控制器与光纤环路之间安置一个基于可编程逻辑器件(CPLD)的光纤CAN自愈环网接口电路；
上述光纤CAN自愈环网接口电路由一片Altera公司出产的复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM7128S、两个光发送器LEDR、LEDL，两个光接收器PINR、PINL，一个有源石英晶体振荡器PXO-660构成，其中CPLD与CAN控制器收发端RX和TX连接，CPLD还通过光电转换模块PIN、LED与光纤环路相连接，有源石英晶体振荡器与CPLD的clk0端相连接；
上述光纤CAN自愈环网接口电路上还连接有网络状态发光二极管D_sr、D_sl和接收状态发光二极管D_rx。
本发明的功能是：(1)当光纤双环通信正常时，各发送器选择对侧数据发送。(2)当单根光纤故障时，下游节点接口电路实现环回，下游节点光发送器选择同侧光接收器数据转发。(3)当任意节点间两根光纤故障时，则与光纤切断点相连的两个节点执行环回功能。两节点光发送器均选择同侧光接收器数据转发。这种自愈功能保证在故障情况下，仍能维持环网的连续性。故障排除后，倒换开关自动返回原来位置。(4)实现节点CAN控制器数据选择接收，其原则为：对于各节点接收的顺、逆时针两通道数据，选择优先到达的通道数据接收。(5)实现节点数据选择发送，其原则为：对于CAN网络中的主节点(发送节点)，选择本节点CAN控制器发送端(TX)的数据发送，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；对于CAN网络中的从节点(接收节点)，网络工作正常时，选择对侧数据发送；对于CAN网络中的从节点(接收节点)，网络中对侧光纤通道故障，则选择同侧数据发送。(6)判别各通道帧起始和帧结束，鉴别总线是否空闲，网络是否故障。如当判断左侧光接收器PINL有数据帧正在传送时，产生左侧发送数据标志flag_l和网络通信状态标志sync_l，分别表示总线忙和网络工作正常。
本发明实现光纤CAN总线自愈功能，使用CPLD的自愈控制接口，可组建光纤CAN总线自愈环网，它将提高光纤CAN总线网络的生存性。接口电路单片化，将大大简化电路、提高了电路地可靠性。由于使用CPLD器件，将为接口电路的修改、调试和更新换代提供了方便。
附图说明
图1为光纤CAN总线自愈环网结构图。
图2为自愈工作策略示意图。
图3为CPLD自愈控制接口装置的I/O口示意图。
图4为基于CPLD环网自愈控制接口装置结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但下述实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：实现上述功能控制环网自愈接口电路的选用美国Altera公司CPLD器件EPM7128SLC84-15，用MAX+plusII开发软件进行设计。CPLD自愈控制接口单元由四部分组成：分频器、中心状态机、发送数据选择器、接收数据选择器组成。采用CPLD与节点CAN控制器收发端RX和TX连接，CPLD同时通过PIN和LED与光纤环路相连接。整个自愈控制接口装置时钟由有源石英晶体振荡器PXO-660提供，其振荡频率为20MHz。
如图1为光纤CAN总线自愈环网结构图，该网络有两条光纤环路——顺时针环和逆时针环，各节点CAN控制器通过自愈控制接口与双环光纤网相连，自愈控制接口由Altera公司出产的复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM7128S、两个光发送器LEDR、LEDL，两个光接收器PINR、PINL组成。
如图2所示，光纤CAN自愈环网控制接口装置的自愈策略是：(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)，下游C节点自愈控制接口实现环回，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)，如BC节点间光纤被切断时；则B、C两个与光纤切断点相连的两个节点自愈控制接口执行环回功能；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到达C；而信号CA则仍经顺时针环传输；在故障情况下，自愈控制接口保证光纤CAN环网的连续性；故障排除后，倒换开关自动返回原来位置。
如图3所示，自愈控制接口装置的I/O口的连接关系为：CPLD输入输出引脚pin_l、led_l、led_r、pin_r分别与光电转换模块PINL、LEDL、LEDR、PINR相连；CPLD的输出输入引脚txd、rxd分别与CAN控制器的数据发送端TX、接收端RX相连；CPLD的输出引脚flag_txd＝1代表本节点CAN控制器TX0正在发送数据帧；输出引脚flag_l＝1代表左侧通道正在发送数据帧；输出引脚flag_r＝1代表右侧通道正在发送数据帧。输出引脚sync_l为左侧网络通信状态标志，输出引脚sync_r为右侧网络通信状态标志。当左通道正常时，输出引脚sync_l＝“1”，驱动网络状态发光二极管D_sl亮；当右通道正常时，输出引脚sync_r＝“1”，驱动网络状态发光二极管D_sr亮；若网络状态发光二极管D_sr或D_sl灭，表示网络对应光纤通道出了故障。当本节点CAN控制器选择左通道数据接收时，接收状态标志引脚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，接收状态标志引脚rx_l/r为低电平。输入引脚reset为复位端，低电平有效；clk0为时钟输入引脚，该引脚与有源晶振输出端相连，有源晶振的时钟频率为20MHz。
如图4所示，控制环网自愈控制接口装置中的CPLD由分频器、中心状态机、发送数据选择器、接收数据选择器四个模块组成。
分频器的功能为：将CPLD输入20MHz时钟频率变换为1MHz时钟频率。这是因为在光纤CAN自愈环网中，各节点CAN控制器和CPLD接口采用独立的工作时钟。为使状态机产生发送数据状态flag转变、两个数据选择器切换与CAN控制器数据传送同步，应正确选择状态机的时钟。由于CAN网数据传送波特率是125Kbit/s，状态机时钟rxclk速率设计为数据传送波特率的8倍即1M。这样不但实现网络数据传送的同步，还能在一个位周期中对数据多次读取，以提高网络的抗干扰能力。
中心状态机功能是：(1)检测CAN数据帧的帧起始和帧结束，产生相应发送数据标志信号flag_txd、flag_r和flag_l。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平‘0’；帧结束由7个隐性位‘1'组成的序列。(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。下面各处状态机的解释均以本节点CAN控制器状态机为例。
在各状态机中，当总线空闲时，状态机处于空闲态idle，若rxclk上沿到来，检测到txd＝0时，状态机将发送数据标志置位flag_txd＝“1”；并在rxclk第五上沿到来时，对txd数据再次读取，若txd＝“0”条件仍成立，表示真实的帧起始到来；否则flag_txd＝“0”，同时状态机转向空闲态idle，等待帧起始的到来。当真实的帧起始到来后，rxclk(1M)每过8个时钟周期，对CAN总线上的数据位进行检测，保证每次检测在数据位(位周期)中央。当连续7次对txd检测到“1”，表示真实的“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。否则状态机处于帧结束判断状态。
网络通信状态sync_r、sync_l时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flag＝“0”时，启动网络通信状态计数器count，其时钟为rxclk＝1MHz，当计数器为30000(30ms)时，sync＝“0”，网络状态发光二极管D_sr、D_sl灭，表示持续检测不到数据帧，网络故障。如果在30ms内能检测到数据帧起始(flag置位)，网络通信状态标志持续sync＝“1”。计数器count满值为估算的帧间最短时间间隔。
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)。为使链路搭建时间尽可能短，使用最高频率时钟(20MHz)控制两个数据选择器。
在发送数据选择器中，输入数据通道为3路txd、pin_l和pin_r。各通道数据具有不同优先级。优先级设置为：当本节点发送数据(txd＝“0”或flag_txd＝“1”)，光纤双环中发送该TX端的数据，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。
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。当接收节点CAN控制器选择左通道接收时，接收状态发光二极管D_rx发光，否则D_rx灭。
本发明经测试证实，光纤CAN自愈环网正常时，各通道均有数据传送，网络状态发光二极管D_sr、D_sl持续发光；当设置单通道故障时，下游节点自愈控制接口装置内部实现环回，选择同侧数据转发；当设置双通道故障时，与故障点相连两节点的自愈控制接口装置均实现环回。由CPLD自愈控制接口装置构成的光纤CAN自愈环网具有很高的生存性。
本说明书中未作详细描述的内容为本专业领域技术人员公知的现有技术。