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CAN总线光纤通信接口设计

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西北大学学报(自然科学版)2008年4月,第38卷第2期,Apr.,2008,Vol.38,No.2JournalofNorthwestUniversity(NaturalScienceEdition)

收稿日期:2007207210 基金项目:陕西省科学技术研究发展计划基金资助项目(2006KW221) 作者简介:张鑫(1983—),男,陕西西安人,陕西科技大学硕士生,从事机械电子工程研究。CAN总线光纤通信接口设计

张　鑫,文怀兴

(陕西科技大学机电工程学院,陕西西安　710021)

摘要:目的　研究在CAN总线网络中使用光纤替代双绞线作为传输介质的可行性及其实现方式。

方法　提出一种CAN总线光纤通信接口方案并用实验加以验证。结果　在各种通行波特率下对

该通信接口进行测试均达到要求。该方案可在维持CAN总线系统总体结构不变的情况下实现光

纤通信,基本解决了对某个或某几个CAN节点使用光纤进行信号传输的问题。结论　虽然大大拓

宽了CAN总线的应用领域,但因光纤与双绞线两种传输不匹配,尚待进一步研究。

关　键　词:光纤;CAN总线;光电转换;传输性能;接口

中图分类号:TP336 文献标识码:A 文章编号:10002274Ⅹ(2008)0220229204

CAN(controllerareanetwork)控制器局部网是

一种广泛应用于工业现场的总线网络[1]。目前,世

界上绝大多数的CAN网络都采用双绞线作为传输

介质[2]。然而,光导纤维作为新兴的传输介质,具

有优良的抗电磁干扰特性,即使在恶劣的工业环境

中也能够实现高质量的信号传输。与双绞线和同轴

电缆相比,光缆还具有不辐射能量、不导电、不存在

光信号相互干扰影响等问题[3]。目前,光纤CAN网

络的研究在国内还处于起步阶段,在国外,欧洲粒子

物理研究所较早采用CAN总线光纤网络,即在加速

器中的两个CAN总线节点之间采用光纤传输,以防

止加速器设备上的92kV高压影响CAN总线的正常

通信,但该方法不适合多个节点的CAN总线光纤网

络[4]。所以,为了进一步提高CAN网络的性能,在

我国开展CAN网络中采用光纤作为传输介质的研

究十分必要。

1　总体设计思路

由于光纤支持的是点到点的通信[5],因此在应用到CAN通信时,最简单的方法是用于每个节点到

总线的支路上,这样就可以在通信速率保持不变的

情况下,将通信介质由双绞线换成光纤。其中主要

的一步是实现电信号与光信号的相互转变,即将CAN控制器的电信号转变成光信号,经由光纤传输后,转变回电信号连接到总线上。在本课题中光电

信号的相互转换由专用的光电转换器件完成,即采

用安捷伦光电转换模块实现CAN物理层信号的光

电转换。总体设计思路原理图如图1所示。

图1　总体设计思路原理图Fig.1　Schematicdiagramofgeneraldesign

2　整体方案论述及分析

211　光纤接口实现方法及所采用的模块

CAN总线光纤通信接口的设计,首先要能够实

现电信号与光信号的相互转变,在本课题中采用专

用的光电转换器件完成。发射器采用Agilent公司

生产的HFBR21414T,接收器采用Agilent公司生产

的HFBR22412T。该对收发器件的探测灵敏度、传

输速率和传输距离能满足系统的工作要求,且HF2

BR22412T输出是TTL电平,所以其输出端可直接与

单片机连接而无需再进行电平转化。器件的这些特性就使得在光纤通信中只要连接好光电转换模块的

外围电路,理论上就可以依靠器件本身的性能很好

地完成光电转换,且无须进行电平转换即可直接使

用。

212　CAN总线双绞线接口分析

1993年颁布的国际标准ISO11898对基于双绞线的CAN总线传输介质特性做出了建议:总线可具

有两种逻辑状态,即隐性(逻辑“l”)或显性(逻辑

“0”)[1]。双绞线CAN总线接口如图2所示。

图2　CAN总线双绞线接口结构Fig.2　Twisted2pairinterfacestructureofCANbus82C250是CAN收发器,它是CAN控制器(SJA1000)与物理总线之间的接口,它提供向总线

的差动发送能力和CAN控制器的差动接收能力,

CAN收发器的真值表见表1。表1　CAN收发器82C250的真值表

Tab.1　Truthtableof82C250

TXDCANHCANL总线状态RXD0高电平低电平显性01(或悬浮)悬浮状态悬浮状态隐性1

图2中82C250中各管脚的功能分别是:TxD为

发送数据输入端,Vcc为电源电压,RXD为接收数据

输出端,Vref为基准电压输出端,CANH为高电平

CAN电压输入/输出端,CANL为低电平CAN电压输入/输出端。图2中SJA1000各管脚的功能分别

是:TX0为CAN输出驱动器0输出,TX1为CAN输

出驱动器1输出,RX1为输入比较器输入端1,RX0为输入比较器输入端0。由图2和表1可见,当

SJA1000的TX0端输出0电平时,82C250的TXD端也为0电平,此信号经82C250差动发送后,使

CANH为高电平,CANL为低电平,总线状态呈显性。在这种情况下,接在总线上其他节点的82C250进行差动接收,其RXD端输出0电平。由于

SJA1000与82C250的连接关系是:RX0接RXD,

RX1接Vref(当Vcc=5V时,Vref=215V)。此时,对SJA1000而言,RX1>RX0,则SJA1000读入显性

电平,或者说总线上的任一节点接收到的都是显性

位。反之,当SJA1000的TX0为1电平时,82C250的RXD=1,有RX1

SJA1000的TX0端输出0电平时,总线呈显性,总线上所有SJA1000将收到显性位;反之,若TX0端输

出1电平时,总线呈隐性,其他SJA1000也将接收隐

性位。

213　CAN总线光纤通信接口设计与分析根据上述通信协议,同时考虑到现场工作环境

的实际要求,接口必须可以由两套电源分别供电,并

通过光纤实现隔离。现给出CAN总线光纤通信接

口设计原理图如图3所示。该原理图中省略了光电

转换模块的驱动器件及其电路和其他的外围电路。

图3　CAN总线光纤通信接口设计原理图Fig.3　Schematicdiagramofopticalfibercommunicationin2terfaceofCANbus现根据该原理图,说明CAN总线光纤通信接口

工作过程如下:

21311　发送过程　CAN控制器SJA1000发送端发出的数据传送给光发送器HFBR21414T的信号输入

端,经HFBR21414T转换成光信号,通过光纤传输到

集成光接收器HFBR22412T。由HFBR22412T的信

号输出端直接输出CAN总线可识别的TTL电平信

号,再接到CAN总线收发器82C250的发送端TXD,最后由82C250的CANH,CANL挂接到总线上。

21312　接收过程　CAN总线上的数据通过CAN总线收发器82C250的接收端RXD传送到光发送器

HFBR21414T的信号输入端,经HFBR21414T转换成光信号,通过光纤传输到集成光接收器HFBR2

2412T,由HFBR22412T的信号输出端直接输出CAN总线可识别的TTL电平信号,然后接SJA1000的接

收端RX0(其中SJA1000的RX1接参考电压

215V)。这样,就实现了CAN总线的一个通信回路。实

际上,由于CAN总线网络一般采用总线型结构,并

且其总线仲裁采取的是具有优先级的非破坏CSMA(即载波侦听多路访问)[6],而光纤信号的传输则是单向的。因此,在将光纤应用到CAN总线通信时,为了避免破坏CAN总线的接口协议,该方案中将光

纤用于每个节点到总线的支路上,在通信速率保持—032—西北大学学报(自然科学版) 第38卷不变的情况下,使用光纤进行通信,使得整个CAN总线网络成为一个同时使用双绞线和光纤的混合网

络。即将传统的CAN双绞线接口的CAN控制器和

CAN收发器分隔开来,在它们之间使用光纤传输,以此来提高CAN系统的传输性能。这样做既可以

依旧使用CAN总线收发器82C250作为CAN节点

与物理总线的连接通路,避免了对CAN总线接口协

议的破坏,同时实现起来也比较简单、可靠。

3　实验验证

为了验证该CAN总线光纤通信接口的正确性,本课题设计并完成了两个CAN节点之间的通信实

验,实验电路结构如图4所示。

图4　实验电路原理图Fig.4　Schematicdiagramofexperimentalcircuit

实验中采用USB2CAN作为另一个CAN节点,

CAN通信节点使用光纤介质,与USB2CAN通信节

点进行通信,并用PC机监控通信状况。在CAN总

线各波特率下进行了两个节点的相互收发实验,结

果证明该CAN总线光纤通信接口原理正确,具有可

行性。实验中测得信号经光电转换的延迟时间如表

2所示。

表2　实验测得光电转换延迟时间

Tab.2　Delaytimeofphotoelectrictransformation

通信波特率/kbps上升沿延迟时间/μs下降沿延迟时间/μs最大延迟

时间/μs1000501020120124001080120125001080120121000108011601164000108012012

综上可知,该光纤接口电路的输入输出光电信

号满足CAN总线接口协议,实现了光纤CAN总线

网络。通过具体传输测试验证了上述接口协议和接

口电路的正确性。网络运行正常,工作稳定。使用

光纤作为传输介质,各节点间有良好的电气隔离,整个系统的稳定性好、抗干扰能力强。采用该CAN总

线光纤通信接口不仅实现了数据的高速长距离通

信,而且不需要光耦便实现了电流隔离。通过改变

数据发送的波特率,对该CAN总线光纤通信接口在

各种通行波特率下均进行了测试(由5Kbps到

1Mbps),均能够稳定、准确、快速地完成信号传输,证明该CAN总线光纤通信接口是可行的。其在良

好工作条件下的传输速率和正确率均符合要求。该

CAN总线光纤通信接口完整电路图见附录。

4　采用光纤传输介质对通信性能改善

的讨论

在给定波特率下,光纤传输的最远距离L与信

号在光纤中的传输时间T传输之间满足以下关系式

L=V光纤×T传输。

式中:V光纤为信号在光纤中的传播速度。电磁

波在介质中的传播速率为V=C/n(C为光速,n为

介质的折射率),光在光纤中的传播速率近似为260

m/μs,电磁波在双绞线中的传播速率大致为200m/μs[7]。信号在光纤中的传输时间T传输,信号传输中因光电转换造成的延迟时间T光电延迟,CAN节点同步及内部延迟时间T内部延迟与CAN总线的位时间

T位时间之间应满足如下关系式

T传输+T光电延迟+T内部延迟

这里取T内部延迟=014×T位时间,则可以估算出光纤传输时CAN总线的最大距离,即:

L<(016×T位时间-T光电延迟)×V光纤。

计算结果如表3所列。可知采用光纤作为传输

介质,CAN总线的最大传输距离能够提高约40%。

表3　双绞线与光纤传输距离比较

Tab.3　Comparisonofthetransmissiondistance

betweentwisted2pairandopticalfiber

通信波特率/kbps双绞线最大传输距离

/m光纤最大传输距离/m10004070500130185250270370125530745 从表3中可见,由于CAN总线通信速率较低及

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CAN转光纤模块解说

CAN转光纤模块解说

Can Canopen总线类产品

产品名称：CAN转光纤模块（点对点型） 型号：MS-F155_L

1、概述

MS-F155-L是将CAN总线转为光纤的模块，可以延长CAN bus通信距离，最远可以达到20公里到40公里。采用光信号传输，模块有很好的抗电磁干扰能力。专用的光纤通信芯片设计电路，使数据通信稳定可靠，可用于比较恶劣的工矿环境。CAN信号的传输速率最高为500Kbps，设计了防雷、防静电电路，提供了优良的EMI/RFT特性。CAN接口采用零延迟转换时间技术、自动侦测数据流向的流控技术，使模块使用非常简单。两路CAN总线接口完全相互独立工作，不相互干扰。

2、规格

电源：宽电源供电，7-36V直流电源。

接口：2路CAN总线，支持CAN1.0 CAN2.0协议标准，符合ISO/DIS 11898规范。一路光口，接光纤。一路232接口，支持RS-232双向传输。

传输速率：CAN可以达到500Kbps；

通信方式：两路CAN bus，每路CAN总线可以挂在128个节点。CAN实现透明传输，不需要任何设置。

通信距离：多模可以达到2000米，单模可以达到20-40公里。

光纤：SC、LC可选口，单模，单双纤可选，1310nm、1550nm可选。

保护：15KV静电保护，1600W浪涌保护

环境温度：-40---60°C

存储温、湿度：-20---50°C 5%---90%

体积：长80mm 宽60mm 高25mm 3、应用

CAN转光纤CAN bus1CAN bus2CAN_HCAN_LCAN节点CAN节点CAN节点CAN节点CAN转光纤光纤CAN bus1CAN bus2CAN_HCAN_LCAN节点CAN节点CAN节点CAN节点

4、行业

消防工程 安防监控 工矿企业 交通运输

手把手教你设计CAN总线系列讲座(2)

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—CAN总线智能节点的设计

在远程测控系统中，都要通过传感器或其他测量装置获取环境或相关的输入参数，传送到处理器，经过一定的算法，做出相应的控制决策，启动执行机构对系统进行控制，基于CAN总线的测控系统将单个测控设备变成网络节点，将控制系统中所需的基本控制、运行参数修改、报警、显示和监控等功能分散到各个远程节点中。因此总线上的节点应该具有总线通信功能和测控功能，这必然离不开微处理器。我们把具有这类功能的节点叫智能节点。

1 CAN网络节点结构和SJA1000的应用结构图

一般把每个CAN模块分成不同的功能块。这里以分布式恒温控制节点构成的CAN控制网络为例（如图1所示），分析一下基于CAN总线的分布式网络节点的结构。

CAN节点由微处理器、CAN控制器SJA1000、光耦6N137模块和CAN驱动器82C50构成。CAN控制器SJA1000执行在CAN规范里规定的完整的CAN协议，用于报文的缓冲和验收过滤，负责与微控制器进行状态、控制和命令等信息交换；在SJA1000下层是CAN收发器PCA82C50，它为CAN控制器和总线接口，它控制从CAN控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号，提供对总线的差动发送和对CAN控制器的差动接收功能。光耦6N137起隔离作用。 CAN总线CAN驱动器82C250光电隔离6N137CAN控制器SJA1000微控制器STC89C51CAN驱动器82C250光电隔离6N137CAN控制器SJA1000微控制器STC89C51CAN驱动器82C250光电隔离6N137CAN控制器SJA1000微控制器STC89C51120Ω120Ω温度传感器加热设备温度传感器加热设备温度传感器加热设备PC机上位机/主节点图1 CAN总线控制网络结构图 所有这些CAN模块都由微处理器控制，它负责执行应用的功能，负责控制执行器（比如加热设备）、读传感器（比如温度）和处理人机接口。

基于FPGA和控制器MCP2517FD设计的CAN FD总线接口

基于FPGA和控制器MCP2517FD设计的CAN FD总线接口

基于FPGA和控制器MCP2517FD设计的CAN FD总线接口

作者：***

来源：《科学与财富》2020年第23期

摘要：CAN（Control Area Network，控制器局部网）总线广泛应用于工业自动化监控网络中，传输速率的应用已经逐渐逼近CAN总线的带宽，急需更高速率带宽的总线通讯方式，CAN FD（CAN with Flexible Data-Rate，带灵活可变数据波特率的CAN总线）总线应运而生，可以实现更高速率和更长有效载荷。本文提出了一种CAN FD总线接口设计技术，通过灵活的FPGA（Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）设计SP（Iserial peripheral

inter-face，串行外围设备接口）接口控制CAN FD芯片MCP2517FD，实现CAN FD总线接口的设计，系统实现后，可以根据现场应用提出的新要求对FPGA进行升级，增加了使用的灵活性。 关键词：FPGA;CAN;FD;MCP2517FD;SPI

CAN总线属于现场总线的范畴是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，最初是由德国BOSCH公司为汽车的监测和控制而设计的，后来逐渐发展到用于其它工业领域。CAN總线具有低成本、极高的总线利用率、长达10km的数据传输距离，高达1Mbps的数据传输速率、可根据报文ID进行选择，可靠的错误处理机制、自动重发被破坏的信息、节点在错误严重的情况下可自动退出总线等特点。

CAN FD总线兼具CAN总线的特点，在其基础上传输速率带宽由1Mbps提升至10Mbps，采用新的DLC（Data Length code）编码方式使数据场长度由8 个字节增加至64个字节，更大程度上满足了工业领域对于高速率传输的需求。

为了灵活的使用CAN FD总线，本文提出一种灵活的CAN FD总线接口设计技术，即使用FPGA和控制器MCP2517FD实现CAN FD接口设计的方案，不仅能够实现CAN总线接口通讯，同时对于后期使用过程中，可以根据不同的要求进行升级，增加使用的灵活性。

基于CAN总线的多节点语音通信系统设计

基于CAN总线的多节点语音通信系统设计

基于CAN总线的多节点语音通信系统设计

随着科技的发展，语音通信在我们的日常生活中起着越来越重要的作用。为了满足多节点之间的语音通信需求，本文设计了一种基于CAN总线的多节点语音通信系统。

首先，我们需要了解CAN总线的特点。CAN（Controller

Area Network）总线是一种高度可靠的实时通信协议，广泛应用于汽车、工业控制等领域。它具有高带宽、低延迟和可靠性强的特点，非常适合用于多节点语音通信系统。

在设计多节点语音通信系统时，我们需要考虑以下几个方面。首先是节点之间的通信方式。基于CAN总线的多节点语音通信系统可以采用点对点通信方式，即每个节点都可以直接与其他节点进行通信。这样一来，每个节点都能够实时地接收和发送语音数据，实现实时的语音通信。

其次是语音数据传输的方式。在多节点语音通信系统中，语音数据需要通过CAN总线进行传输。为了确保数据的实时性和可靠性，我们可以采用分时复用的方式，即将语音数据分为多个小包进行传输，每个节点按照预定的时间片轮流发送和接收数据。这样一来，即使在多节点同时发送数据的情况下，也能够保证数据的传输效率和可靠性。 最后是节点之间的数据处理和控制。在多节点语音通信系统中，每个节点都需要对接收到的语音数据进行处理和控制。可以使用数字信号处理技术对语音数据进行降噪、增益等处理，以提高语音通信的质量。同时，每个节点还需要实现相应的控制逻辑，以实现语音通信的功能，例如呼叫、接听等。

综上所述，基于CAN总线的多节点语音通信系统设计具有高带宽、低延迟和可靠性强的特点，非常适合应用于实时语音通信场景。通过合理的节点通信方式、语音数据传输方式以及节点数据处理和控制，可以实现实时的多节点语音通信。这种系统设计在汽车、工业控制等领域具有广阔的应用前景，将为我们的生活带来更加便利和高效的语音通信体验。