CAN(Devicenet,CANOpen)總線與光纖轉(zhuǎn)換

摘要：本文討論了基于CAN的現(xiàn)場(chǎng)總線如何使用光纖介質(zhì),及在使用光纖介質(zhì)時(shí)存在的技術(shù)問題,以及解決這些問題的方法.在本文中主要說明了基于CAN的現(xiàn)場(chǎng)總線的速率與傳輸距離的關(guān)系,并提出了如何解決了高速率時(shí)長(zhǎng)距離傳輸?shù)募夹g(shù)瓶頸。 

       控制器局域網(wǎng)（CAN）為串行通訊協(xié)議，能有效地支持具有很圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路接線都可以使用 CAN。但CAN總線的通信距離不僅受物理層(傳達(dá)室輸介質(zhì)及物理特性)的約速,同時(shí)也受總線協(xié)議的約速,下面是常用的通信速率與傳輸距離的關(guān)系(摘自<<現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)>>):

位速率(Kbps)  1000         500       250      125      100          50            20        10

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最大距離(米)      40          130        270        530     620       1300       3300     6700

      由上面可知,如果采用光纖介質(zhì),總線的傳輸距離也同時(shí)受上述條件的限制,那么,現(xiàn)在市場(chǎng)上有的CAN總線到光纖纖的介質(zhì)轉(zhuǎn)換器宣稱自已能使CAN總線傳輸10KM,或20KM等等,實(shí)際上都是不完全的,且不說其實(shí)現(xiàn)的基理如何,單從傳輸距離上講,其條件是必須使用總線速率低于10Kbps.

下面是CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)中的一些描述,說明了產(chǎn)生這些約速的原因:

仲裁（Arbitration）：
      只要總線空閑，任何單元都可以開始發(fā)送報(bào)文。如果 2 個(gè)或 2 個(gè)以上的單元同時(shí)開始傳送報(bào)文，那么就會(huì)有總線訪問沖突。通過使用識(shí)別符的位形式仲裁可以解決這個(gè)沖突。仲裁的機(jī)制確保信息和時(shí)間均不會(huì)損失。當(dāng)具有相同識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)初始化時(shí)，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對(duì)發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個(gè)單元可以繼續(xù)發(fā)送。如果發(fā)送的是一“隱性”電平而監(jiān)控視到一“顯性”電 ，那么該單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。 
 

安全性（Safety）：
     為了獲得最安全的數(shù)據(jù)發(fā)送，CAN 的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均采取了強(qiáng)有力的措施以進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤標(biāo)定及誤自檢。
 
錯(cuò)誤檢測(cè)（Error Detection）：
 
為了檢測(cè)錯(cuò)誤，必須采取以下措施：
-  監(jiān)視（發(fā)送器對(duì)發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較）
-  循環(huán)冗余檢查
-  位填充
-  報(bào)文格式檢查
錯(cuò)誤檢測(cè)的執(zhí)行（Performance of Error Detection）：
 
錯(cuò)誤檢測(cè)的機(jī)制要具有以下的屬性：
-  檢測(cè)到所有的全局錯(cuò)誤
-  檢測(cè)到發(fā)送器所有的局部錯(cuò)誤
-  可以檢測(cè)到一報(bào)文里多達(dá)5個(gè)任意分布的錯(cuò)誤
-  檢測(cè)到一報(bào)文里長(zhǎng)度低于 15（位）的突發(fā)性錯(cuò)誤
-  檢測(cè)到一報(bào)文里任一奇數(shù)個(gè)的錯(cuò)誤
–11
對(duì)于沒有被檢測(cè)到的錯(cuò)誤報(bào)文，其殘余的錯(cuò)誤可能性概率低于：報(bào)文錯(cuò)誤率* 4.7 * 10 。
錯(cuò)誤標(biāo)定和恢復(fù)時(shí)間（Error Sinalling and Recovery Time）：
      任何檢測(cè)到錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)會(huì)標(biāo)志出已損壞的報(bào)文。此報(bào)文會(huì)失效并將自動(dòng)地開始重新傳送。如果不再出新錯(cuò)誤的話，從檢測(cè)到錯(cuò)誤到下一報(bào)文的傳送開始為止，恢復(fù)時(shí)間最多為 29 個(gè)位的時(shí)間。

應(yīng)答（Acknowledgment）：
     所有的接收器檢查報(bào)文的連貫性。對(duì)于連貫的報(bào)文，接收器應(yīng)答；對(duì)于不連貫的報(bào)文，接收器作出標(biāo)志。

      由于CAN總線的協(xié)議特點(diǎn)同時(shí)也是CAN總線的主要優(yōu)點(diǎn)是總線仲裁與傳輸?shù)陌踩?應(yīng)答及錯(cuò)誤處理來保證),總線的仲裁與應(yīng)答機(jī)制對(duì)時(shí)間的要求決定了總線的傳輸距離同速率的關(guān)系.

基于上面的陳述,如果使用光纖傳輸CAN總線,那必須解決總線的這些基本問題:

1.如何在光纖中實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的仲裁機(jī)制,光信號(hào)在光纖中只能單向傳輸(波分復(fù)用系統(tǒng)在一根光纖中雙向傳輸,但對(duì)于有效業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)仍是單向的),而雙絞線的CAN信號(hào)是不分方向的,這種不分方向同時(shí)是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的電平信號(hào)是實(shí)現(xiàn)仲裁的基礎(chǔ),那么如果光纖系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)CAN總線仲裁機(jī)制,必須實(shí)現(xiàn)光纖中雙向信息無延時(shí)的雙向同步傳輸,這是當(dāng)前的信號(hào)流自動(dòng)方向識(shí)別無法做到的,因?yàn)樵谥俨眠^程中就不應(yīng)當(dāng)有信號(hào)的方向,而應(yīng)是雙向同時(shí)才可以。

2.如何在高速的CAN總線中使用光纖(如果僅在低速網(wǎng)絡(luò)中使用光纖,必要性明顯就小了很多),