CN109873676A - 一种基于光纤的can总线异步通信方法及网络 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤的CAN总线异步通信方法及网络，包括主节点和从节点，其中的从节点还可分设为外环从节点和内环从节点。主节点与外环从节点环接，其中各外环从节点还可分别与内环从节点环接，形成多环结构。本发明通过光纤，直接实现CAN总线的物理层架构。本发明可省去现有CAN总线中的电线连接，将CAN数据直接通过光纤进行传输。在实施大功率并机时，本发明一方面可通过光纤实现大批量，实时的数据传输；另一方面还可以利用光纤模块，实现CAN通讯，以节省CAN总线的物理连线。本发明在CAN节点数量较多时，可省去配置CAN总线上各节点匹配电阻设置的麻烦。本发明CAN网络组网方便、灵活，且有方便网络节点数目扩展。

Description

一种基于光纤的CAN总线异步通信方法及网络

技术领域

本发明涉及异步通信技术，尤其涉及一种CAN总线异步通信方法及网络。

背景技术

CAN总线是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，CAN总线有“显性”和“隐性”两个状态，显性对应逻辑0，隐性对应逻辑1。如果两个节点同时发送“0”和“1”时，总线上呈现”0”。CAN总线采用二进制不归零编码方式，所以总线上不是0就是1。CAN总线上的一个节点发送数据，它以报文的形式广播给网络中的所有节点，对于每个节点来说，无论数据是否发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符表示标识符，用于定义报文的优先级。在同一个系统中，标识符是唯一的，可识别网络中的不同节点。

只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文，如果有两个或者两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不受损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁器件，每个发送器对发送位的电平与被监测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，如果发送的隐性电平而监视的是显性电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。

目前，CAN总线组网通常可以使用双绞线等介质来传输信号，一般CAN网络拓扑结构为如图1所示的环形网络。

考虑到光纤具备信道容量大，无需设置硬件匹配的特点，因此，当利用光纤进行CAN总线组网时，可在增加节点数目的同时省去调整匹配电阻的麻烦。然而，目前并没有任何技术能够实现光纤介质上的CAN总线异步通信。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于光纤的CAN总线异步通信方法及网络。

首先，为实现上述目的，提出一种基于光纤的CAN总线异步通信方法，包括：

第一步，主节点发送同步报文，各个从节点依次接收所述同步报文并锁定时钟后，再向其相邻的从节点转发所述同步报文，直至主节点收到同步报文并锁定时钟；

第二步，主节点以固定周期发送报文，所述各从节点依次接收所述报文，按如下规则处理所述报文，并将处理后的报文转发至与其相邻的下一节点：当所述主节点或所述从节点CAN物理发送位未发生电平翻转时，转发报文的CAN物理发送位值＝(本节点待发送的CAN物理发送位)&(光纤接收的所述报文的CAN接收位数值)；当所述主节点或所述从节点CAN物理发送位发生电平翻转时，跳转至第三步；其中“&”表示逻辑与运算；

第三步，在一个所述固定周期内，CAN物理发送位发生电平翻转的所述主节点或所述从节点虚拟断开：即在该固定周期内直接发送隐电平数据，在随后的一个固定周期内按照所述第二步的方法(即，转发报文的CAN物理发送位值＝(本节点待发送的CAN物理发送位值)&(光纤接收的所述报文的CAN接收位数值))处理所述报文并转发处理后的所述报文。

进一步，上述方法中，所述隐电平数据为CAN物理发送位＝“1”的报文。

具体的，上述的电平翻转为所述从节点CAN物理发送位由显电平数据转换为隐电平数据；所述显电平数据为CAN物理发送位＝“0”的报文。

进一步，上述方法中，所述从节点包括外环从节点和内环从节点；所述各从节点均单向发送或转发所述报文；所述外环从节点还作为所述内环从节点的主节点，与所述内环从节点环接。

具体的，上述方法中，所述内环从节点转发的所述报文＝该内环从节点所连接的外环从节点接收的所述报文&该内环从节点所连接的外环从节点的CAN物理发送位数据&本节点的CAN物理发送位数据。

其次，为实现上述目的，还提出一种基于光纤的CAN总线异步通信网络，包括主节点和从节点：

所述主节点与所述从节点之间通过光纤环接，单向发送报文；

所述主节点首先用于发送同步报文，在接收到所述从节点发送的同步报文后锁定时钟；所述主节点还用于以固定周期发送报文；

所述各从节点首先用于接收所述同步报文，锁定本从节点时钟，再向本从节点相邻的节点转发所述同步报文；所述各从节点还用于接收所述报文并转发至与其相邻的下一节点；

如果所述主节点和从节点发送或转发的报文的CAN物理发送位由“0”翻转为“1”时，该主节点或从节点首先在一个所述固定周期内发送“1”，在后一固定周期内按照未发生翻转的步骤转发所述报文；

如果所述主节点和从节点发送或转发的报文的CAN物理发送位未发生翻转时，转发报文的CAN物理发送位值＝(本节点待发送的CAN物理发送位)&(光纤接收的所述报文的CAN接收位数值)。

进一步，上述的网络中，所述从节点包括外环从节点和内环从节点；所述主节点和所述外环从节点之间通过外环光纤环接，单向发送报文；所述各外环从节点还通过内环光纤与所述内环从节点环接。

进一步，上述的网络中，在所述异步光纤通信网络同时包括所述外环从节点和所述内环从节点时，所述各从节点还包括有滤除最大延迟所产生的毛刺的滤波器，所述最大延迟＝3*主节点发送报文的固定周期；(其中，“*”表示乘法运算)若所述异步光纤通信网络仅包括外环从节点，则，所述最大延迟为0，无需增设上述的滤除最大延迟所产生的毛刺的滤波器。

上述网络中，所述固定周期至少为(报文长度+从节点数目+节点间报文发送延迟时间)*时钟周期。(其中，“*”表示乘法运算)。

有益效果

本发明，包括主节点和从节点。本发明中，采用光纤架构CAN总线网络。进行报文传输时，先由主节点发送同步报文，分别对每一个环形实现时钟的同步与锁定，然后再进行报文的单向传输与转发。由于采用光纤介质实现物理层架构，因而，报文需按照固定的运算步骤进行转发。这主要是由于光纤介质中无法在单一节点输出接地时直接拉低总线电平至地。因此，在所述主节点或所述从节点发送或转发的报文的CAN物理发送位由显电平转换为隐电平时，需要进行虚拟断开的操作，以保证数据的有效传输。本发明可省去现有CAN总线中的电线连接，将CAN数据通过光纤进行大批量、实时的传输，可利用光纤模块，实现CAN通讯，以节省CAN总线的物理连线。本发明在CAN节点数量较多时，可省去配置CAN总线上各节点匹配电阻设置的麻烦。在实施大功率并机时节省物理连线数目，无需单独给CAN网络提供的物理线连接也无需逐一配置匹配电阻。本发明组网方便、灵活，尤其在网络节点数目增加时无需调整CAN内部匹配电阻即可保证通信接收端采样正确。本发明方便CAN总线网络节点数目扩展。

进一步，本发明的从节点包括有外环从节点和内环从节点。其中，主节点与外环从节点环接，其中各外环从节点还可分别与内环从节点环接，形成多环结构。在组网对节点进行设置时，为保证通信效果，需要保证周期至少为(报文长度+从节点数目+节点间报文发送延迟时间)*时钟周期。在这种架构下，适当放宽报文的固定周期，就可适应网络节点的通信要求，有效提高网络容量，而无需进行硬件的匹配调整。因而，本发明组网方式相较于现有CAN总线的实现方式更加灵活，组网效率得以进一步提高。

进一步的，由于内环、外环这种多层环接的网络结构，挂有内环的外环节点需要一并接收内环节点的数据和外环节点的数据。这样，在向其下节点(包括其下的内环节点和外环节点)转发报文时，由于两个环形网络中报文不可能同时到达同时处理，该节点由于两个环形网络中报文的先后关系，会在转发报文时出现毛刺信号。为解决对毛刺信号的误处理，本发明所述各从节点还包括有滤除最大延迟所产生的毛刺的滤波器。所述最大延迟设置由网络结构确定：本发明中网络层包括内环和外环两部分，每一层环形网络传递报文的周期为2us，因此，设定最大延迟为6us(内环网络中节点发送数据，整个网络最大需要3个传输周期(6us)才能保证每个节点均接收到数据)。本发明以此进一步提高报文传输的准确率，提高本发明网络的通信效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有CAN通信网络的拓扑关系示意图；

图2为根据本发明的异步光纤通信网络单环拓扑结构的示意图；

图3为根据本发明的异步光纤通信方法的流程示意图；

图4为本发明在单环异步光纤通信网络中的工作方式示意图；

图5为本发明在多环异步光纤通信网络中的工作方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图2为根据本发明的基于光纤的CAN总线异步通信网络架构。考虑到，光纤网络虽然是异步单向的(即，报文从主节点定时发出，所有从节点依次顺序接收并转发报文)，但只要网络能够满足CAN物理层协议规定：构成环形的网络结构，并且，网络中全部节点接收的数据均为“1”才判断报文数据为“1”，网络中任何一节点为“0”就判断当前报文数据为“0”。只要能在光线网络上实现该协议，则可构建CAN网络，实现报文的有效传输。

为获得光线网络的通信容量，在利用其组成CAN网络时，需按照如下方法进行异步光纤通信。参考图3，通信的具体步骤包括：

第一步，主节点发送同步报文，各个从节点依次接收所述同步报文并锁定时钟后，再向其相邻的从节点转发所述同步报文，直至主节点收到同步报文并锁定时钟；

第二步，主节点以固定周期发送报文，所述各从节点依次接收所述报文并转发至与其相邻的下一节点(由于光纤网络为异步单向网络，报文从主节点定时发出，所有从节点依次接收并转发报文(各节点接收转发所需的时间很短，仅一个时钟周期),只要网络中选择频率足够高情况下，能够保证报文在整个网路中传输的时间小于报文的间隔时间，以实现光纤网络上的CAN协议通信。)；考虑到光线介质无法通过硬件下拉电压信号，因此需要按如下规则处理所述报文，并将处理后的报文转发至与其相邻的下一节点：当所述主节点或所述从节点CAN物理发送位未发生电平翻转时，转发报文的CAN物理发送位值＝(本节点待发送的CAN物理发送位)&(光纤接收的所述报文的CAN接收位数值)；当所述主节点或所述从节点CAN物理发送位发生电平翻转时，需跳转至第三步实现类似的功能；其中“&”表示逻辑与运算；

第三步，在一个所述固定周期内，CAN物理发送位发生电平翻转的所述主节点或所述从节点虚拟断开：即在该固定周期内直接发送隐电平数据，在随后的一个固定周期内按照所述第二步的方法处理所述报文并转发处理后的所述报文：即转发报文的CAN物理发送位值＝(本节点待发送的CAN物理发送位)&(光纤接收的所述报文的CAN接收位数值)。

第三步虚拟断开的步骤是考虑，如果当前所有节点均接收＝＝0，发送＝＝(接收)*(自身CAN物理发送值)。通过光纤转发的报文运算，如果当前节点要发送“1”，如果按照发送＝＝(接收)*(自身CAN物理发送值)，则，实际计算的结果永远为(0)*(1)＝＝”0”,即，节点永远发送”0”,而没有办法发送“1”，所以此时需要通过上述的第三步虚拟断开从节点。

这样就实现了CAN网络中,只要有一个节点发送”0“总线上就是”0“，所有节点发送”1“，总线上才为”1“。(这里采用上升沿发送，其目的在于：使得所有板卡中保存的光纤报文CAN接收位数值＝＝1，以便接下来逻辑与运算，能够完成所有节点发送”1“，总线上才为”1“)。

进一步，上述方法中，转发的所述报文＝接收的所述报文&本节点的CAN物理发送位数据；其中&表示逻辑与运算。

上述方法中，所述隐电平数据为CAN物理发送位＝“1”的报文。“电平翻转”为所述从节点CAN物理发送位由显电平数据转换为隐电平数据；所述显电平数据为CAN物理发送位＝“0”的报文。

进一步，上述方法中，所述从节点包括外环从节点和内环从节点；所述各从节点均单向发送或转发所述报文；所述外环从节点还作为所述内环从节点的主节点，与所述内环从节点环接。

具体的，上述方法中，所述内环从节点转发的所述报文＝该内环从节点所连接的外环从节点接收的所述报文&该内环从节点所连接的外环从节点的CAN物理发送位数据&本节点的CAN物理发送位数据。

参考图2所示的基于光纤的CAN总线异步通信网络，包括主节点和从节点：

所述主节点与所述从节点之间通过光纤环接，单向发送报文；

所述主节点首先用于发送同步报文，在接收到所述从节点发送的同步报文后锁定时钟；所述主节点还用于以固定周期发送报文；

所述各从节点首先用于接收所述同步报文，锁定本从节点时钟，再向本从节点相邻的节点转发所述同步报文；所述各从节点还用于接收所述报文并转发至与其相邻的下一节点；

如果所述主节点和从节点发送或转发的报文的CAN物理发送位由“0”翻转为“1”时，该主节点或从节点首先在一个所述固定周期内发送“1”，在后一固定周期内正常(即，按照发生翻转的步骤)发送或转发所述报文：

如果所述主节点和从节点发送或转发的报文的CAN物理发送位未发生翻转时，转发报文的CAN物理发送位值＝(本节点待发送的CAN物理发送位)&(光纤接收的所述报文的CAN接收位数值)。

进一步，上述的网络中，所述从节点包括外环从节点和内环从节点；所述主节点和所述外环从节点之间通过外环光纤环接，单向发送报文；所述各外环从节点还通过内环光纤与所述内环从节点环接。

上述的组网方式中，在实现大功率并机时候，可以减少CAN物理线连接，光纤网络主要是用来传输大批量，实时的数据，实现了上述功能后，还能够将CAN数据放在光纤中通信,这样就省掉了CAN的物理连线。如果采用的是图1所示的传统的物理线连接，每个节点都需要调整内部配置电阻，以保证节点进行接收时采样正确。而本发明CAN总线无电线连接，因此无需配置电线的匹配电阻等硬件，随着节点数增加，则不需要调整CA内部匹配电阻。

进一步，上述的网络中，在所述异步光纤通信网络同时包括所述外环从节点和所述内环从节点时，所述各从节点还包括有滤除最大延迟所产生的毛刺的滤波器，所述最大延迟＝3倍的主节点发送报文的固定周期。所述最大延迟设置由网络结构确定：本实施例中网络层级包括内环和外环，每一层环形网络传递报文的周期为2us，因此，设定最大延迟为6us(这样的网络结构下，内环网络中节点发送数据，整个网络最大需要3个传输周期(6us)才能保证每个节点均接收到数据)。若所述异步光纤通信网络仅包括外环从节点，则，所述最大延迟为0，无需增设上述的滤除最大延迟所产生的毛刺的滤波器。

上述网络中，所述固定周期至少为(报文长度+从节点数目+节点间报文发送延迟时间)*时钟周期。

具体以图2所示的具体的网络架构为示例。

本文CAN物理层实现方式是基于单向报文传输结构的光纤异步通信的。光纤网络中，主节点首先发送同步报文，紧邻主节点之后的从节点接收同步报文并锁定，之后再发送同步报文至下一个节点，直到光纤网络中主节点收到同步报文并锁定为止，这样整个光纤网络就形成了定向单线传输结构。

CAN数据的传输是在报文中定义一位CAN数据位，所有CAN节点通过光纤网络组网，传输/接收CAN数据。光纤网络负责将各个CAN节点的数据传输到光纤网络中，同时从网络中接收CAN数据，光纤网络处理CAN物理层协议。本方案CAN物理层实现的过程并不是通过CAN物理线网线，CAN物理层协议实现是通过光纤网络及其网络中处理过程实现的。图1,图2为光纤网络结构。

本文光纤网络结构中，由于网络是单向传输，主节点每2us发送一次报文，所以对于CAN节点而言，发送CAN数据与接收CAN数据会有延迟，现有的4节点网络结构导致的延迟最大4us,图2光纤结构最大6us,只要通过选择合适的CAN通信速率，CAN协议就可以忽略该延迟。为了保证光纤网络结构能实现CAN协议，报文在整个网路中传输的时间小于报文的间隔时间，也就是小于2us。具体的，主节点发送报文的固定周期可通过如下方式计算：

主节点发送报文的固定周期:period>(Packet.length+N+节点间传输延迟)*clk_period；其中，从节点数表示为N,报文长度表示为packet.length,网络时钟周期表示为clk_period。以主节点发送报文时间间隔2us，从节点数10,报文长度120,网络时钟周期(150MHZ)＝6.66ns为例。这种网络架构下，主节点发送报文的固定周期:period>(120+10+6*9)*6.66ns。即，period>2000ns。

图2网络中，每2us主节点主动发起一次报文传输，从节点2……n接收到报文就转发，并将根据网络中CAN数据和自己的CAN数据处理后，将结果放在对应的报文数据段上转发，直到节点1再接收到其从节点反馈的报文，一次环形传输结束，主节点利用其余时间等待下一个2us时刻到来，届时再发起第二次的报文传输。由于节点接收和转发报文的时间极其短，所以节点1一次报文发送到接收的时间<2us.对于图2,节点1每2us主动发起一次报文传输，同时向外环和内环发送，外环节点接收到报文后，同时向外环和内环转发，即往节点2，节点1.1发送，节点2接收到节点1的报文后，同时转发到点3和节点2.1，这样逐级转发，最终节点1收到外环的数据，同时收到内环的数据，要求通过选择传输速率和节点数，保证节点1发送一次报文到最后接收及其内环的接收报文，依然在2us内完成。

CAN协议要求，显性电平“0”，隐性电平“1”，在CAN网络线上，只要有一个节点发送显性电平“0”，那么总线上就是显性电平“0”；只有所有节点全部发送隐电平“1”，总线上才为隐性电平“1”。

因此，光纤报文CAN位数据，CAN物理接收数据处理过程如下：

(1).光纤报文CAN发送位＝(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)，将物理CAN发送的数据与光纤CAN网络数据逻辑与操作后送到光纤网络中.

(2).CAN接收的数据＝(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)。

(3).由于本文光纤是单向传输数据，如果光纤网络中所有节点光纤接收显电平“0”,如果物理节点要发送隐电平“1”时，如果还是光纤发送：(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)，那么导致网络中永远为显电平“0”,导致CAN网络瘫痪。为了解决这个问题，本发明采取如下方法：如果某个节点CAN物理发送位由显电平变成隐电平即“0”->“1”变化时，这时光纤发送CAN数据先要虚拟断开，光纤这个2us周期先发送CAN数据位＝隐电平“1”,而不是发送(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)。之后下一个2us周期再恢复到光纤CAN发送位＝(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)。

CAN协议有两个电平，显性电平“0”和隐性电平“1”，在CAN网络线上，只要有一个节点发送显性电平“0”，那么总线上就是显性电平“0”；只有所有节点全部发送隐电平“1”，总线上才为隐性电平“1”。规定图2，图1中节点1作为整个网络的主节点，每2us主动发起传输一次报文，报文中有一位表示CAN数据，表示CAN网络总线数据。

具体至图2所示的网络结构。该网络架构下，内环、外环网络都是单向的环形结构，网络外环主节点固定周期发送报文，之后该报文传输到其他所有节点。如果主节点不发送报文，其它节点都没有报文。如果内环网络中，有一个节点需要发送数据，该节点必须等到有报文到达自己节点时才能发送。该架构下的内环网络中，有一个节点需要发送数据，则最迟需要3个周期才能将数据传输到网络中所有节点，而不是一个周期。由于CAN物理协议层规定，CAN网络是环形，任何节点发送数据，其它节点必须收到，所以本文发明也就存在最大3个周期，将数据传输到其它节点的过程。具体至图2，该架构下的主节点、内环从节点和外环从节点分别按照图5所示的方式实现异步通信：

1.内环节点实现过程(节点n.1，n.2,n.n,……):

(1.1).内环光纤报文CAN发送位＝(光纤接收CAN信息位数据)(与操作)(物理CAN发送数据位)，CAN物理发送位数据没变化时，将物理CAN发送的数据与光纤CAN网络数据逻辑与操作后送到光纤网络中。

(1.2).内环光纤报文CAN发送位＝隐电平“1”，CAN物理发送位数据突变时。由于本文光纤是单向传输数据，如果光纤网络中所有节点光纤接收显电平“0”,如果物理节点要发送隐电平“1”时，如果还是光纤发送：(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)，那么导致网络中永远为显电平“0”。如果CAN物理发送位由显电平变成隐电平即“0”->“1”变化时，这时光纤发送数据先要虚拟断开，光纤这个2us周期先发送CAN数据位＝隐电平“1”，之后下一个2us周期再恢复到光纤CAN发送位＝(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)。

(1.3).内环物理CAN接收数据位＝(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)。

2.外环节点(外环节点需要同时向内环，外环发送报文)实现过程(节点1,2,3,…,n),

(2.1)外环光纤报文CAN发送位＝(光纤外环接收CAN数据)(与操作)(光纤内环接收CAN数据)(与操作)(物理CAN发送数据位),如果没有遇到如下三种情况：外环节点CAN发送没有突变；本节点向外环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”；本节点向内环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”。

(2.2)外环光纤报文CAN发送位＝隐电平“1”.如果遇到如下三种情况:外环节点CAN发送突变；本节点向外环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”；本节点向内环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”。由于本文光纤无论内环，外环都是单向传输的。所以出现如下三种情况需要虚拟断开.

(2.2.1)外环节点CAN物理发送为由显电平“0”变为隐电平“1”时，需要虚拟断开。

(2.2.2)本节点向外环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”，该情况发送说明，本节点的上游节点出现了由显电平“0”突变到隐电平“1”的情况，需要将这个突变立即传输到整个网络中。

(2.2.3)本节点向内环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”，该情况发送说明，本节点负责的内环出现了由显电平“0”突变到隐电平“1”的情况，需要将这个突变立即传输到整个网络中。

(2.3)内环光纤报文CAN发送位＝(光纤外环接收CAN数据)(与操作)(光纤内环接收CAN数据)(与操作)(物理CAN发送数据位),如果没有遇到如下三种情况：外环节点CAN发送没有突变；本节点向外环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”；本节点向内环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”。

(2.4)内环光纤报文CAN发送位＝隐电平“1”.如果遇到如下三种情况:外环节点CAN发送突变；本节点向外环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”；本节点向内环发送显电平“0”但接收到隐电平“1”。

(2.5)由于内外环结构导致最大延迟6us,当突变的时候，可能会导致内环光纤接收CAN位或者外环光纤接收CAN位数据有2us的毛刺，需要增加一个滤波器消除这2us的毛刺，否则会影响CAN报文的正确接收，由于CAN物理协议对显电平到隐电平突变会进行采样点调整，毛刺存在的话，会误触发这个采样点调整过程。

物理CAN接收数据位＝(滤波后内环光纤接收CAN位)(与操作)(滤波后外环光纤接收CAN位)(与操作)(物理CAN发送数据位)。

图2箭头标识示意了内环节点CAN物理发送端口从显电平转隐电平突变时，网络中数据传输过程。经过3个周期后，该数据变化为所有节点全部通知到。这3个周期内，网络中报文的传输状态如下：

0us时刻(第一个周期内):节点1发送报文，节点n-1外环收到节点1发送来的数据，节点n-1，同时将数据转发到节点n,同时将数据转发到节点n-1.1,此时节点n-1.2数据要发送，节点n-1.2利用接收到的数据，并将自己数据放到报文中转发给节点n-1.3,节点n-1.3转发给节点n-1，一次内环传输结束。此时节点n-1就收到了节点n-1.2的数据。(斜线标记的节点)

2us时刻(第二个周期内):节点1发送报文，节点n-1接收到节点1发送来的数据，此时节点n-1由于有内环新的数据传输，所以节点n-1向外环转发数据时，需要将新的数据加入到报文中，向外环转发，向内环转发的数据只使用外环接收的数据，不加入进去最新数据。这样节点1外环传输一次，就将节点n-1的新数据传输到了节点1。(网格标记的节点)

4us时刻(第三个周期内)：节点1发送报文，将之前接收到的新数据加入报文中发送，这样，后续所有剩余节点就能收到节点n-1,2发送的数据。(白色标记的节点)

即，在当前2层(内环、外环)的网络架构下，以外环节点n-1在0us时段接收到内环节点n-1.2的1，原始报文信息为0为例：

此时外环节点n-1输出1；

节点n-1,在2us时段接收节点1发送的旧数据，仍然为0，此时节点1还没有接收到最新数据，所以仍然发送旧数据0，此时输出0；而此时刻0为毛刺；

节点n-1在4us时段接收节点1发送的新数据1，此时输出1；

所以节点n-1在上述过程中输出的数据为:0,0,0,….,0,0,0,1,0,1,1,1,1,1,…,1,1,1,1。中间掺杂的“0”即为毛刺，需加入6us的滤波器去除。

若通过本发明所述的方法，通过光纤进行如图1所示的单环组网，则可将上述的实现步骤简化为如图4所示的以下过程：

(1).光纤报文CAN发送位＝(光纤接收CAN信息位数据)(与操作)(物理CAN发送数据位)，CAN物理发送位数据没变化时，将物理CAN发送的数据与光纤CAN网络数据逻辑与操作后送到光纤网络中

(2).光纤报文CAN发送位＝隐电平“1”，CAN物理发送位数据突变时。由于本文光纤是单向传输数据，如果光纤网络中所有节点光纤接收显电平“0”,如果物理节点要发送隐电平“1”时，如果还是光纤发送：(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)，那么导致网络中永远为显电平“0”。如果CAN物理发送位由显电平变成隐电平即“0”->“1”变化时，这时光纤发送数据先要虚拟断开，光纤这个2us周期先发送CAN数据位＝隐电平“1”，之后下一个2us周期再恢复到光纤CAN发送位＝(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)。

(3).物理CAN接收数据位＝(光纤接收CAN信息位)(与操作)(物理CAN发送数据位)。

本发明技术方案的优点主要体现在：本发明所提供的基于光纤的CAN总线异步通信方法及网络，包括主节点和从节点，其中的从节点还可分设为外环从节点和内环从节点。主节点与外环从节点环接，其中各外环从节点还可分别与内环从节点环接，形成多环结构。本发明通过光纤，直接实现CAN总线的物理层架构。本发明根据光纤的传输特性，针对报文设计了固定的运算步骤和报文周期以实现有效的数据传输。本发明可省去现有CAN总线中的电线连接，将CAN数据直接通过光纤进行大批量、实时的传输。在实施大功率并机时，可节省物理连线数目，省去逐一为电线连接的CAN总线上各节点设置匹配电阻的麻烦，组网方便、灵活，且有方便网络节点数目扩展。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光纤的CAN总线异步通信方法，其特征在于，步骤包括：

第一步，主节点发送同步报文，各个从节点依次接收所述同步报文并锁定时钟后，再向其相邻的从节点转发所述同步报文，直至主节点收到同步报文并锁定时钟；

第二步，主节点以固定周期发送报文，所述各从节点依次接收所述报文，按如下规则处理所述报文，并将处理后的报文转发至与其相邻的下一节点：当所述主节点或所述从节点CAN物理发送位未发生电平翻转时，转发报文的CAN物理发送位值＝(本节点待发送的CAN物理发送位)&(光纤接收的所述报文的CAN接收位数值)；当所述主节点或所述从节点CAN物理发送位发生电平翻转时，跳转至第三步；其中“&”表示逻辑与运算；

第三步，在一个所述固定周期内，CAN物理发送位发生电平翻转的所述主节点或所述从节点虚拟断开：即在该固定周期内直接发送隐电平数据，在随后的一个固定周期内按照所述第二步的方法处理所述报文并转发处理后的所述报文。

2.如权利要求1所述的基于光纤的CAN总线异步通信方法，其特征在于，所述隐电平数据为CAN物理发送位＝“1”的报文。

3.如权利要求2所述的基于光纤的CAN总线异步通信方法，其特征在于，所述从节点包括外环从节点和内环从节点；所述外环从节点还作为所述内环的主节点；所述各从节点均单向发送或转发所述报文。

4.如权利要求1所述的基于光纤的CAN总线异步通信方法，其特征在于，所述电平翻转为所述从节点CAN物理发送位由显电平数据转换为隐电平数据；所述显电平数据为CAN物理发送位＝“0”的报文。

5.一种基于光纤的CAN总线异步通信网络，包括，主节点和从节点；

所述主节点与所述从节点之间通过光纤环接，单向发送报文；

所述主节点首先用于发送同步报文，在接收到所述从节点发送的同步报文后锁定时钟；所述主节点还用于以固定周期发送报文；

所述各从节点首先用于接收所述同步报文，锁定本从节点时钟，再向本从节点相邻的节点转发所述同步报文；所述各从节点还用于接收所述报文并转发至与其相邻的下一节点；

如果所述主节点和从节点发送或转发的报文的CAN物理发送位由“0”翻转为“1”时，该主节点或从节点首先在一个所述固定周期内发送“1”，然后按照发生翻转的步骤转发报文；

如果所述主节点和从节点发送或转发的报文的CAN物理发送位未发生翻转时，转发报文的CAN物理发送位值＝(本节点待发送的CAN物理发送位)&(光纤接收的所述报文的CAN接收位数值)。

6.如权利要求5所述的异步光纤通信网络，其特征在于，所述从节点包括外环从节点和内环从节点；

所述主节点和所述外环从节点之间通过外环光纤环接，单向发送报文；

所述各外环从节点还通过内环光纤与所述内环从节点环接。

7.如权利要求6所述的异步光纤通信网络，其特征在于，在所述异步光纤通信网络同时包括所述外环从节点和所述内环从节点时，所述各从节点还包括有滤除最大延迟所产生的毛刺的滤波器；

所述最大延迟为3倍主节点发送报文的固定周期。

8.如权利要求6所述的异步光纤通信网络，其特征在于，所述固定周期至少为(报文长度+从节点数目+节点间报文发送延迟时间)*时钟周期。