1 引言

CAN是一種采用無破壞性位競爭機制實現串行多主通信的現場總線。由于具有抗干擾能力強、報文短、實時性好和組網成本低等優點，CAN總線被廣泛地應用于環境惡劣、電磁輻射大、對可靠性要求高的工業自動化現場和汽車部件控制等領域。

最常用的CAN總線物理層傳輸介質是雙絞線。ISO11898-2定義了以雙絞線為介質的高速CAN總線物理層標準。在CAN總線中，網絡可實現的最高速率與總線的尺寸有關。例如當線纜長度不大于40 m時可實現的最高速率為1 Mb/s。實際使用時，以下幾個原因會造成最高可實現速率的下降：

1)總線上接入的節點過多造成總線參數失配;

2)節點上加裝的過壓過流保護電路造成總線參數失配;

3)節點的地域分布過大，太長的電纜造成總線參數失配。此外，當總線的工作環境過于惡劣，如節點間的共模電位差超出物理層收發器件允許的最大值時，總線也不能正常工作。

光纖通信具有速率高、抗電磁干擾能力強等一系列優點，但目前國際上還沒有制定出以光纖為傳輸介質的CAN總線物理層標準。因此研究光纖CAN總線的組網方法，解決CAN總線的大容量和遠距離組網問題。對促進新標準的形成具有十分重要的意義。

據有關資料報道光纖在CAN總線中的應用主要有以下幾種方案：

1)單節點光纖隔離方案：該方案類似于用光收發器和光纖對替換圖l中1#節點中的一對光隔，解決超高電壓等惡劣環境中單個節點的遠距離隔離問題一剖。2) 中繼器方案：該方案中的2個雙絞線CAN總線子網通過2臺CAN中繼器和1對光纖對相連。經特別設計的中繼器能抑制互聯環路中信號的自發自收造成自激阻塞網絡現象。

3)環型組網方案：文獻[9一12]介紹了構建CAN總線光纖環網和自愈環網的方法。這類環網主要適用于地域較廣、接入節點較少和網速較低的場合。這類環網也存在信號傳輸環路，故也存在有可能自激造成網絡堵塞的問題。此外環網案也不便于與雙絞線CAN總線子網實現級聯擴展。

4)星型組網方案：文獻[13]介紹了一個簡單的4節點星型拓撲結構的光纖CAN網絡。文中并未對構成星型光纖CAN網絡的一般工作原理、設計方法和網絡擴展等問題展開討論。

本文在簡述了雙絞線CAN總線物理層的工作原理和主要特點基礎之上，提出了一種基于光纖CAN總線集線器的具有星型拓撲結構的CAN總線組網方案。詳細介紹了光纖CAN集線器的設計方法和工作原理，討論了2種基于集線器的級聯擴展組網方法。實際設計了一個八口的集線器并對其通信性能進行了初步測試，驗證了這種組網方案的可行性。

2 雙絞線介質CAN總線物理層的特點

圖1是n個節點構成的雙絞線介質CAN總線網絡結構圖。圖中各節點中的微處理器未畫出，節點CAN控制器通過光隔(也可以不用光隔)與CAN收發器相連后接到雙絞線CANH、CANL上。CAN網絡物理層中的Medium Dependent Interface和Physical Medium Attachment兩個子層由CAN收發器實現;Physical Signaling子層則在CAN控制器中實現。數據鏈路層(包括LLC和MAC兩個子層)也在CAN控制器中實現。

根據有關標準的規定，CAN控制器和收發器引腳TX和RX處的“隱性”位和“顯性”位的信號電平分別定義為高電平“1”和低電平“0”。相應地總線上差分電壓Vcanh-Vcaml>0定義為“顯性”位，Vcanh-Vcaml=0定義為“隱性”位。

當多個節點競爭總線控制權時，發送節點發出的總線仲裁位(ID號)信號在總線上與其他節點發送的位信號“線與”后，送到各個節點的控制器的RX端(也包括發送節點本身)，保證所有節點都能監聽到總線上的狀態。在總線上(由CAN收發器完成)“隱性”位與“顯性”位“線與”的結果為“顯性”位;“隱性”位與 “隱性”位“線與”仍然為“隱性”位，保證了CAN總線多主無破壞性的位競爭總線仲裁機制在CAN控制器中的實現。

此外、由于CAN總線報文固有的位仲裁、應答位和錯誤幀傳輸機制，數據位信號的傳輸方向即使在同一數據幀內也會發生變化，因此出現在總線上的每一位數據位必須在規定的時間內被總線上的所有節點(包括發送節點本身)正確接收，通信才可正常進行。這一特點也決定了CAN總線的網絡半徑與通信速率成反比的關系。

綜上所述雙絞線介質CAN總線收發器完成物理層信號傳輸工作的3個主要特點為：

1)在CAN控制器的引腳TX、RX處和總線上合理地定義“隱性”位和“顯性”位的信號電平;

2)多節點發送數據時要能實現位信號的“線與”;

3)所有節點(包括發送節點)在任何時刻都必須能監聽到總線上的位信號。

3 光纖CAN總線集線器結構及其工作原理

采用光纖介質構成CAN總線網絡時，保留圖1所示節點中的CAN控制器，將雙絞線CAN的物理層(包括光隔、CAN收發器和雙絞線)用光收發模塊、光纖和能夠實現位信號“線與”的部件替換。新構成的物理層仍然需要滿足上述CAN總線信號傳輸的3個特點。

圖2是本文提出的一種基于光纖CAN總線集線器的組網結構圖。集線器具有n個光口和1個電擴展口。每個光口都有1對光電轉換模塊PIN和電光轉換模塊 LED，并通過l對光纖分別與光節點中的LED模塊和PIN模塊相連。光節點中只有CAN總線控制器(其他與CAN無關部分未畫出)，其輸入腳RX接 PIN的輸出端，其輸出腳TX接LED的輸入端。集線器也可通過電口擴展電路與1個2對雙絞線構成的CAN總線子網相連。

集線器的原理框圖(虛線框內)如圖3所示，由一片復雜可編程器件CPLD、n個光電轉換模塊PIN、n個電光轉換模塊LED和電擴展口電路構成。n個 PIN的輸出接CPLD的輸入腳RX(1)?RX(n);CPLD的輸出腳TX(1)?TX(n)接各個LED的輸入端。

電口擴展電路由CAN收發器1、CAN收發器2、光隔1和光隔2構成，并通過2對雙絞線與外部相連。收發器1只工作在接收狀態(TXl接“隱性”電平)，從雙絞線1#(CANH1，CANL1)接收到的信號經過收發器l和光隔1后達到CPLD的RX(n+1)腳;收發器2只工作在發送狀態(RX2懸空)，從CPLD的TX(n+1)腳發出的信號經過光隔2和收發器2后到達雙絞線2#(CANH2，CANL2)。