現有光纖通訊使用的光波長有哪幾種

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摘要：本文對基於雙絞線的CAN匯流排特性進行了歸納和分析，論述了在CAN 匯流排物理層用光纖替代雙絞線實現CAN 匯流排通訊的原理，重點對基於集線器的單光纖CAN 匯流排網路構型進行了研究和探索，提出了一種基於集線器的單光纖CAN匯流排網路通訊技術，並構建了網路模型進行了有關的效能測試和驗證。

關鍵字：光纖；CAN 匯流排；光模組；集線器；電磁干擾

1。 引言

CAN是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的序列通訊協議。在汽車產業中，出於對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由於這些系統之間通訊所用的資料型別及對可靠性的要求不盡相同，由多條匯流排構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“透過多個LAN，進行大量資料的高速通訊”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN 通訊協議。此後，CAN 透過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化，在歐洲已是汽車網路的標準協議。

CAN的高效能和可靠性已被認同，並被廣泛地應用於工業自動化、船舶、醫療裝置、工業裝置等方面。現場匯流排是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機區域網。它的出現為分散式控制系統實現各節點之間實時、可靠的資料通訊提供了強有力的技術支援。

CAN

控制器

區域網起源於德國Bosch公司，由於其獨特的多主非破壞逐位仲裁機制、高可靠的資料傳輸、良好的開放性、較高的價效比、國際範圍的標準化和廣泛的器件來源，迅速在眾多工業自動化領域得到了廣泛應用，成為發展最快、最具前途的現場匯流排之一。

CAN匯流排作為一種應用越來越廣泛的

現場匯流排

，一直以來都是採用金屬雙絞遮蔽線作為組網傳輸介質，儘管採用差分方式傳輸的CAN 匯流排已經具有較好的抗干擾能力，但是，對於一些特殊場合，如：電磁環境惡劣、高電壓、強磁場等應用場合，金屬雙絞遮蔽線的CAN 網路就無法適應了。近年來，隨著光纖通訊技術的快速發展，光纖作為新興的資訊傳輸介質，具有獨特的免電磁干擾特性和抗惡劣環境、不輻射電磁波、不導電的優良品質。因此，本文在分析了雙絞線CAN 匯流排特性的基礎上，提出一種新型的光纖CAN 匯流排介面和網路構型，以促進光纖CAN 匯流排技術的發展和應用。

2。 金屬雙絞線CAN匯流排介面特性分析

典型的金屬雙絞線CAN 匯流排介面電路如圖1所示。

圖1 典型的金屬

雙絞線

CAN 匯流排介面電路

收發器PCA82C250 是

裝置

中CAN 匯流排控制器SJA1000 和外部雙絞遮蔽線CAN 匯流排網路之間的介面。它向匯流排提供差分驅動，它的主要功能是將CAN 匯流排控制器TX0 端輸出訊號的TTL 電平變換為CAN 總線上的“隱性”（邏輯“1”）或“顯性”（邏輯“0”）；並將CAN 總線上的邏輯電平變換為CAN匯流排控制器可以識別的TTL 電平，從RX0 端輸入。其真值表見表1。

收發器傳送/接收資料的原理詳見參考文獻［1］。除了上述收發器的功能之外，CAN 匯流排介面還具有下列重要特性。

1）“線與”功能：當TXD=‘1’傳送“隱性”電平時，驅動器使PNP 管和NPN 管截止，匯流排的狀態由其它節點的輸出狀態決定，只有當總線上所有節點都輸出“隱性”位時，匯流排狀態才為“隱性”；否則，只要有一個節點發送“顯性”位，網線CANH 被鉗位在高電平，CANL被鉗位在低電平，則此時網路狀態必為“顯性”位。故收發器RXD 端的訊號是所有節點TXD訊號“相與”邏輯運算的結果；

2）“線上監聽”功能：控制器從TX0 端發出的訊號，透過收發器在總線上“線與”後，從RXD輸出給控制器RX0 端接收，實現匯流排的“線上監聽”功能；

3）節點故障保護功能：當某個節點故障時，CAN匯流排控制器可能連續傳送“顯性”位“霸佔”匯流排，造成系統癱瘓，此時，收發器中的保護電路將自動將本節點斷開；

4）非破壞逐位競爭匯流排仲裁機制：該機制是利用CAN 控制器的“線上監聽”和收發器的硬體“線與”功能，當多個節點發生競爭，逐位同時向網路傳送報文識別符號時，如果控制器傳送出去的位值和“線上監聽”讀回的位值一致，則繼續傳送下一位參與競爭；如果傳送出去的位值和“線上監聽”讀回的位值不一致，即本節點優先順序低（數值大，該位值為1，即隱性），則控制器判定本節點退出競爭。

3。 總體設計

3。1。 系統構型

目前，已經研究和開發出來的光纖CAN 匯流排網路主要有匯流排型、環形和星型等網路構型，且基本採用雙光纖分別實現訊號的收/發功能。本文提出了一種新型的基於集線器形式的單光纖CAN 匯流排網路，屬於星型網路構型，採用點對點方式通訊。

3。2。 光纖物理層定義

本研究在CAN 匯流排網路的物理層保留了CAN

控制器

，重新設計網路物理層，以收/發一體化的光模組替代CAN 收發器，以波分複用的單光纖替代金屬雙絞遮蔽線，收/發採用不同波長的光波進行資訊傳輸，並保證網路物理層之上完全符合CAN 匯流排標準的定義。

3。3。 “顯性”和“隱性”位定義

本研究中“顯性”和“隱性”位定義為：光纖中有光訊號傳輸時表示“顯性”位，無光時表示“隱性”位。

在CAN 控制器（如：SJA1000）的傳送端TX0和接收端RX0 處，仍然保持現有的定義不變：邏輯“0”定義為“顯性”電平；邏輯“1”定義為“隱性”電平。

3。4。 非破壞匯流排仲裁機制設計

CAN 匯流排網路的非破壞匯流排仲裁機制之所以能夠實現的一個重要特性就是收發器硬體的“線與”功能。本研究採用複雜可程式設計邏輯器件CPLD 的“邏輯與”來實現。只要確保CAN 匯流排控制器TX0 和RX0 端的訊號特徵不變，非破壞逐位競爭的匯流排仲裁機制就可以實現，並且CAN 匯流排網路的資料鏈路層以上均保持不變。

3。5。 收發器容錯機制設計

在雙絞線CAN 匯流排中，CAN 收發器具有故障節點自動關閉功能。即當CAN 控制器硬體故障，長期傳送“顯性”位時，CAN 收發器自動關閉本節點。在光纖CAN 匯流排網路中，該功能由集線器CPLD 中的邏輯來實現。

3。6。 光路設計要素

3。6。1。 收/發一體化光模組

CAN 匯流排通訊時，總線上傳輸的是直流訊號，因此，必須採用能夠傳輸直流的光模組。目前能傳輸基帶訊號的收發一體模組的最高頻寬為10MHz，本研究選2MHz。該模組透過TTL 電平與CAN

控制器

介面，並採用波分複用（WDM）技術將收/發光波耦合到一根光纖中，從而實現單纖雙向通訊。

本研究特別定製了以下兩種：

FC 型光模組（FC 型聯結器）：傳送波長=1310nm；接收波長=1550nm；

SC 型光模組（SC 型聯結器）：傳送波長=1550nm；接收波長=1310nm。

3。6。2。 光纖和通訊視窗

由於本研究應用環境的CAN 匯流排長度只有幾十米，匯流排速率不超過1Mbps，故選用對光源技術要求較低、衰減較小（功耗低）和芯徑較粗（可靠性較高）的玻璃多模光纖。

多模玻璃光纖主要有850nm、1310nm 和1550nm三個通訊視窗。兩個節點間選用某個波長作為發射視窗、另一個波長作為視窗則可實現單根光纖上的雙向通訊。本研究中採用1550nm 和1310nm 兩個視窗實現雙向通訊。

4。 技術方案

4。1。

光纖介面

物理層設計

典型的光路組成如圖2 所示。

圖2

光纖介面

連線框圖

FC 型收發一體化光模組由光電子器件、功能電路和光介面等組成。光電子器件包括髮射和接收兩部分。發射部分：輸入一定位元速率的電訊號經內部的驅動晶片處理後驅動發光二極體（LED）發射出相應速率的調製光訊號，其內部帶有光功率自動控制電路，使輸出的光訊號功率保持穩定。接收部分：一定位元速率的光訊號輸入光模組後由光探測二極體轉換為電訊號，經前置放大器後輸出相應位元速率的電訊號。傳送和接收光波透過FC

光纖聯結器

進入光纖。集線器中採用SC 型收發一體化光模組完成光/電和電/光的轉換，其輸出端TD 和輸入端RD 直接與CPLD 連線。

FC 型和SC 型收發一體化

光模組

的收/發光波波長對應互置，共享一根光纖，互不干擾。如：FC 型光模組的傳送波長為1310nm，則SC 型光模組的接收波長就是1310nm。

4。2。 系統的組成

如圖3 所示，本研究採用以光纖CAN 匯流排集線器為中心的星型網路構型，集線器透過單光纖與N個節點連線。在節點中保留CAN 匯流排控制器，捨棄了

雙絞線

網路中的收發器和雙絞線，代之以收/發一體化光模組和單根光纖進行訊號的轉換和傳輸，詳見圖2。匯流排

集線器

是實現CAN 匯流排網路“線與”功能的關鍵裝置，集線器以CPLD 為核心，各節點發送的訊號RX（1）~RX（n）相與後，透過TX（1）~TX（n） 同時回傳給各節點，從而實現光纖CAN 匯流排網路“線與”功能。

圖3 基於

集線器

的單

光纖

CAN 匯流排網路構型

4。3。 工作原理

如圖2 和圖3 所示，1#節點CAN 匯流排

控制器

的資料傳送端TX0 將報文識別符號逐位傳送給反向器，“顯性”為“0”，“隱性”為“1”；經過反向器後，“顯性”為“1”，“隱性”為“0”；FC 型光模組的TD 端接收“1”時，LED 傳送波長為1310nm 的光波，接收“0”時，不發光，因此，經過光模組後，

光纖

中有光表示“顯性”，無光表示“隱性”。

光波透過光纖到達光纖CAN 匯流排

集線器

，經過SC 型

光纖聯結器

進入SC 型

光模組

，經過光/電轉換後，以電訊號形式從SC 型光模組的RD 端輸出，此時，訊號“顯性”為“1”，“隱性”為“0”；此訊號透過CPLD 的1#光口的RX（1）進入CPLD，各節點發送的訊號RX（1）~RX（n）按照下列公式進行邏輯運算：

TX（1），… ， TX（n）=RX（1） & RX（2） & … & RX（n-1） & RX（n）

其含義是將輸入到CPLD 中的n 個輸入訊號RX（1），RX（2）…RX（n-1），RX（n）全部相“與”後，再送回n 個輸出TX（1），TX（2）…TX（n-1），TX（n），從而，採用CPLD 邏輯“與”實現了

雙絞線

的“線與”功能。

“相與”後的訊號透過CPLD 的TX（1）端傳送給SC 型光模組的TD 端，SC 型光模組的TD 端接收“1”時，LED 傳送波長為1550nm 的光波，接收“0”時，不發光，此時，

光纖

中有光表示“顯性”，無光表示“隱性”。

光波透過光纖到達1#節點，經過FC 型

光纖聯結器

返回FC 型

光模組

，經過光/電轉換後，以電訊號形式從FC 型光模組的RD 端輸出，此時，訊號“顯”為“1”，“隱性”為“0”；此訊號透過反向器反向後，訊號特性變為“顯性”為“0”，“隱性”為“1”，此訊號送入SJA1000 的RX0 端被控制器採集，並進行仲裁。

仲裁原理：如果1#節點的CAN 匯流排

控制器

TX0 端傳送出去的狀態位值與此時RX0 端收到的位值不一致，則該節點退出競爭；反之，如果一致，則該節點繼續傳送下一位參與競爭，直至最後勝出，取得匯流排控制權。

5。 系統建模與測試

基於上述方案，我們建立了兩套系統模型，兩套系統模型都是基於

光纖

CAN 匯流排

集線器

的網路模型，只是節點機不同，一個系統的節點機為微控制器節點機，另一個是對現有工控機的CAN 匯流排板卡進行光纖化改進，在已有

雙絞線

系統中直接替換物理層。系統規模為8 個節點機，光纖長度為10m。

在此模型上，進行了收/發一體化光模組的轉換延時、匯流排通訊速率和報文丟失率（近似誤位元速率）等方面的簡單測試，測試情況見表2。

6。 結論

透過上述研究和測試，可以得出以下幾個方面的結論：

1） 本技術方案符合CAN 匯流排標準對物理層訊號傳輸特性的要求，能夠在不改變頂層協議的前提下，實現CAN 匯流排特有的多主非破壞逐位競爭機制；

2） 星型網路拓撲結構相對於光纖環網構型，本研究光/電和電/光轉換環節少，在同樣光纖長度條件下，本技術方案可實現較高的通訊速率；

3） 採用集線器組網方式，只需增加集線器的埠數，就可以擴充套件CAN 匯流排網路的規模，且無匯流排負載匹配問題，故不會影響網路可達到的最高通訊速率；

4） 採用基於波分複用雙向資訊傳輸技術的收/發一體化

光模組

單

光纖連線

方式，簡化了系統的構型，減少了配置，便於組成更為複雜的系統網路；

5） 光纖CAN 匯流排網路具有免電磁干擾能力，極大地提高了CAN 匯流排網路在惡劣電磁環境中的生存力、安全性和可靠性；消除了雙絞線網路訊號衰減和收發器負載能力差的固有缺陷，便於擴大網路規模（節點數量）和提高通訊速率。

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