CAN(Devicenet,CANOpen)总线与光纤转换

摘要：本文讨论了基于CAN的现场总线如何使用光纤介质,及在使用光纤介质时存在的技术问题,以及解决这些问题的方法.在本文中主要说明了基于CAN的现场总线的速率与传输距离的关系,并提出了如何解决了高速率时长距离传输的技术瓶颈。 

       控制器局域网（CAN）为串行通讯协议，能有效地支持具有很围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用 CAN。但CAN总线的通信距离不仅受物理层(传达室输介质及物理特性)的约速,同时也受总线协议的约速,下面是常用的通信速率与传输距离的关系(摘自<<现场总线及其应用技术>>):

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

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

      由上面可知,如果采用光纤介质,总线的传输距离也同时受上述条件的限制,那么,现在市场上有的CAN总线到光纤纤的介质转换器宣称自已能使CAN总线传输10KM,或20KM等等,实际上都是不完全的,且不说其实现的基理如何,单从传输距离上讲,其条件是必须使用总线速率低于10Kbps.

下面是CAN2.0标准中的一些描述,说明了产生这些约速的原因:

仲裁（Arbitration）：
      只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果 2 个或 2 个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保信息和时间均不会损失。当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监控视到一“显性”电 ，那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。 
 

安全性（Safety）：
     为了获得最安全的数据发送，CAN 的每一个节点均采取了强有力的措施以进行错误检测、错误标定及误自检。
 
错误检测（Error Detection）：
 
为了检测错误，必须采取以下措施：
-  监视（发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较）
-  循环冗余检查
-  位填充
-  报文格式检查
错误检测的执行（Performance of Error Detection）：
 
错误检测的机制要具有以下的属性：
-  检测到所有的全局错误
-  检测到发送器所有的局部错误
-  可以检测到一报文里多达5个任意分布的错误
-  检测到一报文里长度低于 15（位）的突发性错误
-  检测到一报文里任一奇数个的错误
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对于没有被检测到的错误报文，其残余的错误可能性概率低于：报文错误率* 4.7 * 10 。
错误标定和恢复时间（Error Sinalling and Recovery Time）：
      任何检测到错误的节点会标志出已损坏的报文。此报文会失效并将自动地开始重新传送。如果不再出新错误的话，从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为 29 个位的时间。

应答（Acknowledgment）：
     所有的接收器检查报文的连贯性。对于连贯的报文，接收器应答；对于不连贯的报文，接收器作出标志。

      由于CAN总线的协议特点同时也是CAN总线的主要优点是总线仲裁与传输的安全性(应答及错误处理来保证),总线的仲裁与应答机制对时间的要求决定了总线的传输距离同速率的关系.

基于上面的陈述,如果使用光纤传输CAN总线,那必须解决总线的这些基本问题:

1.如何在光纤中实现CAN协议的仲裁机制,光信号在光纤中只能单向传输(波分复用系统在一根光纤中双向传输,但对于有效业务数据仍是单向的),而双绞线的CAN信号是不分方向的,这种不分方向同时是一个稳态的电平信号是实现仲裁的基础,那么如果光纤系统中能实现CAN总线仲裁机制,必须实现光纤中双向信息无延时的双向同步传输,这是当前的信号流自动方向识别无法做到的,因为在仲裁过程中就不应当有信号的方向,而应是双向同时才可以。

2.如何在高速的CAN总线中使用光纤(如果仅在低速网络中使用光纤,必要性明显就小了很多),