電子信息工程畢業(yè)設(shè)計（論文）-串行總線光纖收發(fā)器設(shè)計與實現(xiàn)

PAGE論文（設(shè)計）題目TitleOfThesis（Design）串行總線光纖收發(fā)器設(shè)計與實現(xiàn)分院（系別）Department信息與電子工程學(xué)院串行總線光纖收發(fā)器設(shè)計與實現(xiàn)SerialBusOpticalFiberTransceiverDesignandImplementation串行總線光纖收發(fā)器設(shè)計與實現(xiàn)[摘要]隨著光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的日益普及，在網(wǎng)絡(luò)布線中，越來越多的用戶開始考慮使用光纖來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅纜。其中采用“光纖收發(fā)器”來實現(xiàn)光纖布線是一種較為經(jīng)濟有效的方式。本文提出了一種基于光纖收發(fā)一體化而設(shè)計的接口方案及其實現(xiàn)方法。以ARM為核心，由光電模塊、總線控制器、光纖等組成一個數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)送端總線控制器輸出電信號，通過光電模塊轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)光纖傳送至接收端光電模塊并轉(zhuǎn)化成電信號，最后傳送至接收端總線控制器。在實物制作中重點完成系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計，通過外圍電路的濾波功能實現(xiàn)光纖與總線控制器之間的信號傳輸，最后利用ARM開發(fā)板、光電轉(zhuǎn)換器和總線控制器等器件，Keil、altiumdesigner等開發(fā)工具，完成整個串行總線光纖收發(fā)器接口電路。

[關(guān)鍵詞]光纖收發(fā)器串行總線ARM光電模塊光纖通信

SerialBusOpticalFiberTransceiverDesignandImplementation[Abstract]Withthegrowingpopularityoffiber-opticnetworkproducts,moreandmoreusersstarttoconsidertheuseoffiberinsteadoftraditionalcopperinnetworkcabling.Inwhichthefiberoptictransceiverstofiberopticcablingisamorecost-effectivemanner.Thispaperproposedinterfaceprogramanditsimplementationwhichbasedontheintegrationoffiberoptictransceivers.Thedatatransceiversystemcomposedofphotovoltaicmodules,thebuscontroller,fiberandARMwhichasthissystem’score.Thesystembuscontrolleroutputelectricalsignalfromthesendingend,throughthephotovoltaicmodulestoconvertelectricalsignaltoopticalsignals,andthenthroughfiberoptictransmissiontothereceivingendofphotovoltaicmodulesandconvertedintoelectricalsignals,andfinallysenttothereceivingendbuscontroller.Focusinthephysicalproductionsystemperipheralcircuitdesign,throughfiltering,thefunctionofexternalcircuit,thenthesignalcantransmitbetweenthefiberandthebuscontroller,andfinallytheuseofdevicessuchastheARMdevelopmentboard,thephotoelectricconverter,thebuscontrollerandKeil,altiumdesignerandotherdevelopmenttoolstocompletetheserialbusfiber-optictransceiverinterfacecircuit.[KeyWords]FiberconverterSerialbusARMPhotovoltaicmodulesOpticalFiber

目錄第一章緒論 11.1光纖收發(fā)器 11.1.1光纖收發(fā)器概況 11.1.2什么是光纖收發(fā)器 11.1.3光纖收發(fā)器分類 21.2相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸方法概述 41.2.1串行接口通信技術(shù) 41.2.2現(xiàn)場總線技術(shù) 51.3本文所做工作 7第二章總體概要設(shè)計 82.1光纖收發(fā)模塊的選用 82.2CAN總線與RS485的比較 92.3設(shè)計方案 10第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計 123.1相關(guān)器件組成 123.2本文使用開發(fā)板簡介 123.2.1概述 123.2.2電路及接口說明 133.2.3接口定義 153.3光電模塊簡介 173.3.1模塊特點 173.3.21×9模塊管腳定義 173.4硬件設(shè)計方案 18第四章系統(tǒng)測試和實現(xiàn)過程 254.1KELC軟件介紹 254.1.1使用KeilC進行硬件開發(fā) 254.1.2使用KeilC進行單片機軟件開發(fā)的步驟 254.1.3使用KeilC注意事項 254.2軟件設(shè)計和測試流程 26結(jié)論 30致謝語 31參考文獻 32附錄: 33

引言自70年代以來，光纖憑借自身的一些固有特性(如不受噪聲干擾、保密性好以及高傳輸帶寬等)成為各種應(yīng)用領(lǐng)域的理想傳輸介質(zhì)。近年來，隨著布線標(biāo)準(zhǔn)的改變，光電器件、光纜、連接器技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用帶寬的逐步升級，光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用日益普及，很多用戶開始考慮用“光纖到桌面”來替代水平布線系統(tǒng)中的銅纜方案。但完整地考慮一個光纖到桌面的解決方案，不僅要有光纖信息出口和光纖配線箱，還需要價格昂貴的光纖網(wǎng)卡和光出口集線器，整個系統(tǒng)成本大大提高。一種經(jīng)濟有效地實現(xiàn)光纖到桌面的方法是使用光纖收發(fā)器(即光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換器)。光纖收發(fā)器不僅大大簡化局域網(wǎng)的升級,而且可以保護原有銅纜LAN設(shè)備的投資，成為當(dāng)前市場的迫切需要。PAGE15第一章緒論1.1光纖收發(fā)器1.1.1光纖收發(fā)器概況信息化建設(shè)的突飛猛進，人們對于數(shù)據(jù)、語音、圖像等多媒體通信的需求日益旺盛，以太網(wǎng)寬帶接入方式因此被提到了越來越重要的位置。但是傳統(tǒng)的5類線電纜只能將以太網(wǎng)電信號傳輸100米，在傳輸距離和覆蓋范圍方面已不能適應(yīng)實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需要。光纖通信以其信息容量大、保密性好、重量輕、體積小、無中繼、傳輸距離長等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用，光纖收發(fā)器正是利用了光纖這一高速傳播介質(zhì)很好的解決了以太網(wǎng)在傳輸方面的問題。在一些規(guī)模較大的企業(yè)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時直接使用光纖為傳輸介質(zhì)建立骨干網(wǎng)，而內(nèi)部局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)一般為銅線，如何實現(xiàn)局域網(wǎng)同光纖主干網(wǎng)相連呢？這就需要在不同端口、不同線形、不同光纖間進行轉(zhuǎn)換并保證鏈接質(zhì)量。光纖憑借自身的一些固有特性(如不受噪聲干擾、保密性好以及高傳輸帶寬等)成為各種應(yīng)用領(lǐng)域的理想傳輸介質(zhì)。近年來，隨著布線標(biāo)準(zhǔn)的改變，光電器件、光纜、連接器技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用帶寬的逐步升級，光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用日益普及，很多用戶開始考慮用“光纖到桌面”來替代水平布線系統(tǒng)中的銅纜方案。一種應(yīng)用在以太網(wǎng)的經(jīng)濟有效的光纖到桌面的方法是：使用光纖收發(fā)器(即光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換器)。光纖收發(fā)器的出現(xiàn)，將雙絞線電信號和光信號進行相互轉(zhuǎn)換，確保了數(shù)據(jù)包在兩個網(wǎng)絡(luò)間順暢傳輸，同時它將網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離極限從銅線的100米擴展到100公里（單模光纖）。光纖收發(fā)器不僅大大簡化局域網(wǎng)的升級，而且可以保護原有銅纜LAN設(shè)備的投資，當(dāng)前市場需要很大[1]。1.1.2什么是光纖收發(fā)器光纖收發(fā)器是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，在很多地方也被稱之為光電轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)品一般應(yīng)用在以太網(wǎng)電纜無法覆蓋、必須使用光纖來延長傳輸距離的實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，且通常定位于寬帶城域網(wǎng)的接入層應(yīng)用，同時在把光纖最后一公里線路連接到城域網(wǎng)和更外層的網(wǎng)絡(luò)上也發(fā)揮了巨大的作用。企業(yè)在進行信息化基礎(chǔ)建設(shè)時，通常更多地關(guān)注路由器、交換機乃至網(wǎng)卡等用于節(jié)點數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，卻往往忽略介質(zhì)轉(zhuǎn)換這種非網(wǎng)絡(luò)核心必不可少的設(shè)備。特別是在一些要求信息化程度高、數(shù)據(jù)流量較大的政府機構(gòu)和企業(yè)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時需要直接上連到以光纖為傳輸介質(zhì)的骨干網(wǎng)，而企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)一般為銅線，確保數(shù)據(jù)包在不同網(wǎng)絡(luò)間順暢傳輸?shù)慕橘|(zhì)轉(zhuǎn)換設(shè)備成為必需品。1.1.3光纖收發(fā)器分類目前國外和國內(nèi)生產(chǎn)光纖收發(fā)器的廠商很多，產(chǎn)品線也極為豐富。為了保證與其他廠家的網(wǎng)卡、中繼器、集線器和交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的完全兼容，光纖收發(fā)器產(chǎn)品必須嚴(yán)格符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE802.3和IEEE802.3u等以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，除此之外，在EMC防電磁輻射方面應(yīng)符合FCCPart15[2]。時下由于國內(nèi)各大運營商正在大力建設(shè)小區(qū)網(wǎng)、校園網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)，因此光纖收發(fā)器產(chǎn)品的用量也在不斷提高，以更好地滿足接入網(wǎng)的建設(shè)需要。隨著光纖收發(fā)器產(chǎn)品的多樣化發(fā)展，其分類方法也各異，但各種分類方法之間又有著一定的關(guān)聯(lián)。按光纖性質(zhì)分類單模光纖收發(fā)器：傳輸距離20公里～120公里；多模光纖收發(fā)器：傳輸距離2公里～5公里；按光纖來分，可以分為多模光纖收發(fā)器和單模光纖收發(fā)器。由于使用的光纖不同，收發(fā)器所能傳輸?shù)木嚯x也不一樣，多模收發(fā)器一般的傳輸距離在2公里～5公里之間，而單模收發(fā)器覆蓋的范圍可以從20公里～120公里。需要指出的是因傳輸距離的不同，光纖收發(fā)器本身的發(fā)射功率、接收靈敏度和使用波長也會不一樣,如5公里光纖收發(fā)器的發(fā)射功率一般在-20～-14db之間，接收靈敏度為-30db，使用1310nm的波長；而120公里光纖收發(fā)器的發(fā)射功率多在-5～0dB之間，接收靈敏度為-38dB，使用1550nm的波長[2]。按所需光纖分類單纖光纖收發(fā)器：接收發(fā)送的數(shù)據(jù)在一根光纖上傳輸。雙纖光纖收發(fā)器：接收發(fā)送的數(shù)據(jù)在一對光纖上傳輸。顧名思義，單纖設(shè)備可以節(jié)省一半的光纖，即在一根光纖上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，在光纖資源緊張的地方十分適用。這類產(chǎn)品采用了波分復(fù)用的技術(shù)，使用的波長多為1310nm和1550nm[2]。但由于單纖收發(fā)器產(chǎn)品沒有統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)，因此不同廠商產(chǎn)品在互聯(lián)互通時可能會存在不兼容的情況。另外由于使用了波分復(fù)用，單纖收發(fā)器產(chǎn)品普遍存在信號衰耗大的特點。目前市面上的光纖收發(fā)器多為雙纖產(chǎn)品，此類產(chǎn)品較為成熟和穩(wěn)定，但需要更多的光纖。按工作層次/速率分類100M以太網(wǎng)光纖收發(fā)器：工作在物理層。10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)光纖收發(fā)器：工作在數(shù)據(jù)鏈路層。按工作層次/速率來分，可以分為單10M、100M的光纖收發(fā)器、10/100M自適應(yīng)的光纖收發(fā)器和1000M光纖收發(fā)器。其中單10M和100M的收發(fā)器產(chǎn)品工作在物理層，在這一層工作的收發(fā)器產(chǎn)品是按位來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。該轉(zhuǎn)發(fā)方式具有轉(zhuǎn)發(fā)速度快、通透率高、時延低等方面的優(yōu)勢，適合應(yīng)用于速率固定的鏈路上，同時由于此類設(shè)備在正常通信前沒有一個自協(xié)商的過程，因此在兼容性和穩(wěn)定性方面做得更好,而10/100M光纖收發(fā)器是工作在數(shù)據(jù)鏈路層，在這一層光纖收發(fā)器使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的機制，這樣轉(zhuǎn)發(fā)機制對接收到的每一個數(shù)據(jù)包都要讀取它的源MAC地址、目的MAC地址和數(shù)據(jù)凈荷，并在完成CRC循環(huán)冗余校驗以后才將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去。存儲轉(zhuǎn)發(fā)的好處一來可以防止一些錯誤的幀在網(wǎng)絡(luò)中傳播，占用寶貴的網(wǎng)絡(luò)資源，同時還可以很好地防止由于網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的數(shù)據(jù)包丟失，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路飽和時存儲轉(zhuǎn)發(fā)可以將無法轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)先放在收發(fā)器的緩存中，等待網(wǎng)絡(luò)空閑時再進行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既減少了數(shù)據(jù)沖突的可能又保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕虼?0/100M的光纖收發(fā)器適合于工作在速率不固定的鏈路上[3]。1000M光纖收發(fā)器可以按實際需要工作在物理層或數(shù)據(jù)鏈路層，市場上這兩種1000M光纖收發(fā)器都有提供。按結(jié)構(gòu)分類桌面式（獨立式）光纖收發(fā)器：獨立式用戶端設(shè)備。機架式（模塊化）光纖收發(fā)器：安裝于十六槽機箱，采用集中供電方式。按結(jié)構(gòu)來分，可以分為桌面式（獨立式）光纖收發(fā)器和機架式光纖收發(fā)器。桌面式光纖收發(fā)器適合于單個用戶使用，如滿足樓道中單臺交換機的上聯(lián)。機架式（模塊化）光纖收發(fā)器適用于多用戶的匯聚，如小區(qū)的中心機房必須滿足小區(qū)內(nèi)所有交換機的上聯(lián)，使用機架便于實現(xiàn)對所有模塊型光纖收發(fā)器的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一供電，目前國內(nèi)的機架多為16槽產(chǎn)品，即一個機架中最多可加插16個模塊式光纖收發(fā)器。按管理類型分類非網(wǎng)管型以太網(wǎng)光纖收發(fā)器：即插即用，通過硬件撥碼開關(guān)設(shè)置電口工作模式。網(wǎng)管型以太網(wǎng)光纖收發(fā)器：支持電信級網(wǎng)絡(luò)管理。隨著網(wǎng)絡(luò)向著可運營可管理的方向發(fā)展，大多數(shù)運營商都希望自己網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備均能做到可遠程網(wǎng)管的程度，光纖收發(fā)器產(chǎn)品與交換機、路由器一樣也逐步向這個方向發(fā)展。對于可網(wǎng)管的光纖收發(fā)器還可以細(xì)分為局端可網(wǎng)管和用戶端可網(wǎng)管。局端可網(wǎng)管的光纖收發(fā)器主要是機架式產(chǎn)品，多采用主從式的管理結(jié)構(gòu)，即一個主網(wǎng)管模塊可串聯(lián)N個從網(wǎng)管模塊，每個從網(wǎng)管模塊定期輪詢它所在子架上所有光纖收發(fā)器的狀態(tài)信息，向主網(wǎng)管模塊提交。主網(wǎng)管模塊一方面需要輪詢自己機架上的網(wǎng)管信息，另一方面還需收集所有從子架上的信息，然后匯總并提交給網(wǎng)管服務(wù)器。用戶端網(wǎng)管主要可以分為三種方式：第一種是在局端和客戶端設(shè)備之間運行特定的協(xié)議，協(xié)議負(fù)責(zé)向局端發(fā)送客戶端的狀態(tài)信息，通過局端設(shè)備的CPU來處理這些狀態(tài)信息，并提交給網(wǎng)管服務(wù)器；第二種是局端的光纖收發(fā)器可以檢測到光口上的光功率，因此當(dāng)光路上出現(xiàn)問題時可根據(jù)光功率來判斷是光纖上的問題還是用戶端設(shè)備的故障；第三種是在用戶端的光纖收發(fā)器上加裝主控CPU，這樣網(wǎng)管系統(tǒng)一方面可以監(jiān)控到用戶端設(shè)備的工作狀態(tài)，另外還可以實現(xiàn)遠程配置和遠程重啟[4]。在這三種用戶端網(wǎng)管方式中，前兩種嚴(yán)格來說只是對用戶端設(shè)備進行遠程監(jiān)控，而第三種才是真正的遠程網(wǎng)管。但由于第三種方式在用戶端添加了CPU，從而也增加了用戶端設(shè)備的成本，因此在價格方面前兩種方式會更具優(yōu)勢一些。目前大多數(shù)廠商的網(wǎng)管系統(tǒng)都是基于SNMP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上開發(fā)的，支持包括Web、Telnet、CLI等多種管理方式。管理內(nèi)容多包括配置光纖收發(fā)器的工作模式，監(jiān)視光纖收發(fā)器的模塊類型、工作狀態(tài)、機箱溫度、電源狀態(tài)、輸出電壓和輸出光功率等等。隨著運營商對設(shè)備網(wǎng)管的需求愈來愈多，光纖收發(fā)器的網(wǎng)管將日趨實用和智能。按電源分類：內(nèi)置電源光纖收發(fā)器：內(nèi)置開關(guān)電源為電信級電源外置電源光纖收發(fā)器：外置變壓器電源多使用在民用設(shè)備上按電源來分，可以分為內(nèi)置電源和外置電源兩種。其中內(nèi)置開關(guān)電源為電信級電源，而外置變壓器電源多使用在民用設(shè)備上[6]。前者的優(yōu)勢在于能支持超寬的電源電壓，更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓、濾波和設(shè)備電源保護，減少機械式接觸造成的外置故障點；后者的優(yōu)勢在于設(shè)備體積小巧和價格便宜。1.2相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸方法概述1.2.1串行接口通信技術(shù)串口叫做串行接口，也稱串行通信接口，按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來分包括RS232-C、RS422、RS485、USB等。RS232-C、RS422與RS485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做一出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。USB是近幾年發(fā)展起來的新型接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。下面將對這幾種串行通信接口做簡單的介紹。1．RS232-CRS232-C也稱標(biāo)準(zhǔn)串口，是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，該接口只具有單站能力。傳統(tǒng)的RS232-C接口標(biāo)準(zhǔn)有22根線，采用標(biāo)準(zhǔn)25芯D型插頭座。后來的PC上使用簡化了的9芯D型插座?，F(xiàn)在應(yīng)用中25芯插頭座已很少采用?，F(xiàn)在的臺式電腦一般有兩個串行口：COM1和COM2，從設(shè)備管理器的端口列表中就可以看到。硬件表現(xiàn)為計算機后面的9針D形接口，由于其形狀和針腳數(shù)量的原因，其接頭又被稱為DB9接頭?，F(xiàn)在有很多手機數(shù)據(jù)線或者物流接收器都采用COM口與計算機相連，很多投影機，液晶電視等設(shè)備都具有了此接口，廠家也常常會提供控制協(xié)議，便于在控制方面實現(xiàn)編程受控，現(xiàn)在越來越多的智能會議室和家居建設(shè)都采用了中央控制設(shè)備對多種受控設(shè)備的串口控制方式。2．RS422RS422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。實際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232-C更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設(shè)備(Master)，其余為從設(shè)備(Salve)，從設(shè)備之間不能通信，所以RS422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是10×4k+100幾(終端電阻)。RS422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一對單獨的雙絞線)[8]。RS422的通常用途是作為RS232-C的擴展。一個變種的和RS232-C兼容的EIA422作為mini-DIN-8連接在被使用在iMac上的因特爾的UniversalSerialBus取代前，曾在蘋果麥金托什(MAC)上大量使用。目前RS422的應(yīng)用主要集中在工業(yè)控制環(huán)境，特別是長距離數(shù)據(jù)傳輸，如連結(jié)遠端周邊控制器或傳感器。3．RS485為擴展應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS422基礎(chǔ)上制定了RS485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。RS485僅僅規(guī)定了接受端和發(fā)送端的電氣特性，而沒有規(guī)定或推薦任何數(shù)據(jù)協(xié)議。RS485可以應(yīng)用于配置便宜的廣域網(wǎng)和采用單機發(fā)送，多機接收通信鏈接。它提供高速的數(shù)據(jù)通信速率(10m時10Mbit/s;1200m時10Okbit/s)。RS485和RS422一樣使用雙絞線進行高電壓差分平衡傳輸，它可以進行大面積長距離傳輸(超過4000米，1200米)。4．USB(UniversalSerialBus)通用串行總線(簡稱USB)，是近年來一種新興的計算機外圍設(shè)備串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)。隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的計算機外設(shè)接口越來越不能滿足功能日益繁多的設(shè)備的需求與操作，在1994年底。由Intel、Microsoft、Compaq、IBM、NEC、Northern、Telcom等幾家大廠商發(fā)起共同提出了USB總線標(biāo)準(zhǔn)，并成立了USBorg的官方組織其成為開放的標(biāo)準(zhǔn)，從而使不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備能夠在一個開放的體系下廣泛的被使用。從最初的0.7版本規(guī)范問世開始，到98年的1.1全速版本以及2000年的2.0高速版本，再到USB-UTG新興技術(shù)，在規(guī)范不斷完善和發(fā)展的過程中，USB總線接口技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，如移動存儲設(shè)備，打印機設(shè)備，數(shù)碼相機，PDA掌上電腦等。1.2.2現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、雙向互聯(lián)、多點多站的通信網(wǎng)絡(luò)。IEC對現(xiàn)場總線(Fieldbus)一詞的定義為：現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。現(xiàn)場總線遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議，作為最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)，它溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)場總線的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是現(xiàn)場總線，從被控制對象采集到的信息量是一樣多的，而采用現(xiàn)場總線和智能儀表后，可以從現(xiàn)場得到更多的診斷、維護和管理信息?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量增加了，而傳輸信息的線纜卻減少了。這就要求一方面要提高線纜傳輸信息的能力、減少多余信息的傳遞；另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返?，F(xiàn)場總線不僅僅是省掉了幾根電纜，信息處理的現(xiàn)場化才是智能儀表和現(xiàn)場總線所追求的目標(biāo)，也是現(xiàn)場總線不同于其它計算機通信技術(shù)的標(biāo)志[9]。幾種常見的現(xiàn)場總線目前國際上存在著幾十種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，比較流行的主要有FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、HART等現(xiàn)場總線。它們各自具有不同的特點，分別在不同的應(yīng)用領(lǐng)域里占據(jù)了主導(dǎo)地位，下面對其中幾種主流總線作簡單介紹。1.FF(FoundationFieldbus)其前身是ISP協(xié)議和WorldFIP協(xié)議，1994年二者合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上加了用戶層。FF分為低速H1和高速H2兩種通信速率。FF在過程自動化領(lǐng)域得到了廣泛支持，具有良好發(fā)展前景。2.CAN(ControllerAreaNetwork)最早由德國BOSCH公司提出，用于汽車內(nèi)部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范己被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Philips、Intel、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取ISO的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，還有插在PC機上的CAN總線適配器，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格使宜等優(yōu)點。由于CAN被愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范(VERSION2.0)。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具一數(shù)字信息交換一高速通信控制器局部網(wǎng)(CAN)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)，為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。3.DeviceNetDeviceNet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN技術(shù)的開放型、符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)，最初由美國RockwellAutomation公司開發(fā)應(yīng)用。DeviceNet是一個開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范和協(xié)議都是開放的，供貨商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時，無需為硬件、軟件或許可權(quán)付費。任何人都能以少量的復(fù)制成本從開放式DeviceNet供貨商協(xié)會(ODVA)獲得DeviceNet規(guī)范，并可以加入ODVA，參加對DeviceNet規(guī)范進行增補的技術(shù)工作組。2003年4月1日，DeviceNet現(xiàn)場總線在我國作為國家標(biāo)準(zhǔn)開始實施。4.LonWorks由美國Echelon公司推出并與Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布。它采用了ISO模型的全部7層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，支持多種通信介質(zhì)，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。LonWorks被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運輸設(shè)備、工業(yè)過程控制等行業(yè)。5.HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)最早由Rosemount公司開發(fā)，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，由于其采用模擬數(shù)字混合信號制，導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片，但在當(dāng)前的過渡時期，仍具有較強的市場競爭能力。1.3本文所做工作本論文研究的目的是通過對RS485總線和CAN總線應(yīng)用現(xiàn)狀的對比篩選，并選取一種通信總，設(shè)計出一種，能夠使光纜和單片機之間進行實時、有效地進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的完整光纖收發(fā)器產(chǎn)品。在本課題的研究過程中，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:1．光電模塊或是開發(fā)板的選擇：比如，單模或是多模光纖的光電轉(zhuǎn)換模塊，各種規(guī)格參數(shù)的光電模塊的選擇，各種開發(fā)板的選擇。2．串行總線的選擇。3．架構(gòu)方面，通過光纖，光電模塊和CAN總線控制器結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，研究和設(shè)計，理論上能使三者通過電路和軟件的支持，能夠順利實現(xiàn)通信。4．CAN總線控制器引腳和1×9光電模塊的9個引腳如何通過連接到一起，能夠?qū)崿F(xiàn)兩者之間的正常通信。5．光纖的接收端如何接收信號源。6．CAN總線控制器收到來自光纖→光電模塊的信號，依靠開發(fā)板的支持，能夠通過聲音或是LED燈能夠觀測到信號成功接收。

第二章總體概要設(shè)計2.1光纖收發(fā)模塊的選用實現(xiàn)光纖傳輸?shù)囊粋€重要環(huán)節(jié)就是完成總線信號的光電轉(zhuǎn)換，可以使用專用的光纖收發(fā)器件。目前,光纖收發(fā)器有兩種類型：一種是基于分立元件的，即光接收和光發(fā)送模塊是獨立的。這種光收發(fā)模塊相對比較簡單，光發(fā)射部分主要由光源和偏置控制電路組成；光接收部分主要由光探測器、整形放大電路組成，一般采用塑料或多模光纖進行傳輸。另一種是光纖收發(fā)一體模塊，在光源、光探測、光器件封裝、驅(qū)動集成電路、放大集成電路技術(shù)進步的基礎(chǔ)上，將接收和發(fā)送集成到一起、符合電信傳輸標(biāo)準(zhǔn)的光電子系統(tǒng)；在光發(fā)射部分使用了性能更好的光源,并在接收部分加入了時鐘及再生判決電路等，一般采用單模光纖進行傳輸。因此，光纖收發(fā)一體模塊在信號轉(zhuǎn)換的速率和穩(wěn)定性上都比分立的光纖收發(fā)器件有很大的提高，而且與外圍器件接口方便，單模光纖的色散、傳輸光功率消耗也比多模光纖小[11]。本設(shè)計中選用一款TTL光纖收發(fā)一體模塊，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用1×9引腳，單+5V電源供電,光纖傳輸模式為單模，標(biāo)準(zhǔn)ST-ST光纖接口。該模塊驅(qū)動接口如下圖所示：

圖2.1模塊驅(qū)動接口Fig2.1Interfaceofmoduledriver圖2.21×9光電模塊外形尺寸Fig2.21×9Dimensionsofthephotovoltacmodules2.2CAN總線與RS485的比較1.速度與距離：CAN與RS485以1Mbit/S的高速率傳輸?shù)木嚯x都不超過100M，可謂高速上的距離差不多。但是在低速時CAN以5Kbit/S時，距離可達10KM，而485再低的速率也只能到1219米左右（都無中繼）?？梢奀AN在長距離的傳輸上擁有絕對的優(yōu)勢。2.總線利用率：RS485是單主從結(jié)構(gòu)，就是一個總線上只能有一臺主機，通訊都由它發(fā)起的，它沒有下命令，下面的節(jié)點不能發(fā)送，而且要發(fā)完即答，受到答復(fù)后，主機才向下一個節(jié)點詢問，這樣是為了防止多個節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，而造成數(shù)據(jù)錯亂。而CAN－bus是多主從結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點都有CAN控制器，多個節(jié)點發(fā)送時，以發(fā)送的ID號自動進行仲裁，這樣就可以實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)不錯亂，而且一個節(jié)點發(fā)完，另一個節(jié)點可以探測到總線空閑，而馬上發(fā)送，這樣省去了主機的詢問，提高了總線利用率，增強了快速性。所以在汽車等實性要求高的系統(tǒng)，都是用CAN總線，或者其他類似的總線。3.錯誤檢測機制：RS485只規(guī)定了物理層，而沒有數(shù)據(jù)鏈路層，所以它對錯誤是無法識別的，除非一些短路等物理錯誤。這樣容易造成一個節(jié)點破壞了，拼命向總線發(fā)數(shù)據(jù)（一直發(fā)1），這樣造成整個總線癱瘓。所以RS485一旦壞一個節(jié)點，這個總線網(wǎng)絡(luò)都掛。而CAN總線有CAN控制器，可以對總線任何錯誤進行檢測，如果自身錯誤超過128個，就自動閉鎖。保護總線。如果檢測到其他節(jié)點錯誤或者自身錯誤，都會向總線發(fā)送錯誤幀，來提示其他節(jié)點，這個數(shù)據(jù)是錯誤的。這樣CAN總線一旦有一個節(jié)點CPU程序跑飛了，它的控制器自動閉鎖，來保護總線。所以在安全性要求高的網(wǎng)路，CAN是很強的。4.價格與培訓(xùn)成本：CAN器件的價格大約是485的2倍這樣，485的通訊從軟件上是很方便的，只要懂串行通訊，就可以編程，而CAN需要底層工程師了解CAN復(fù)雜的層，編寫上位機軟件也要了解CAN的協(xié)議。5.CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。6.CAN具有完善的通信協(xié)議，可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。表2.1CAN總線與RS485的比較Table2.1ComparisonofCANbusandRS485特性RS-485CAN-bus單點成本低廉稍高系統(tǒng)成本高較低總線利用率低高網(wǎng)絡(luò)特性單主網(wǎng)絡(luò)多主網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率低高容錯機制無可靠的錯誤處理和檢錯機制通訊失敗率高極低節(jié)點錯誤的影響導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓無任何影響通訊距離<1.5km可達10km（5kbps）網(wǎng)絡(luò)調(diào)試?yán)щy非常容易開發(fā)難度標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)CAN-bus協(xié)議后期維護成本高低經(jīng)過兩者的比較，最后決定選用CAN總線作為本設(shè)計的串行總線。2.3設(shè)計方案串行總線光纖收發(fā)器系統(tǒng)主要由CAN總線控制器、光纖、光電轉(zhuǎn)換模塊、電源和基本外設(shè)電路部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示光纖光纖單片機CAN總線光電模塊電信號電信號電信號電信號光信號光信號圖2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖Fig2.3Systemblockdiagram串行總線光纖收發(fā)器的實現(xiàn)方式主要是利用光電轉(zhuǎn)換模塊連接CAN總線控制器與光纖，通過CAN總線控制器輸入信號源，把信號通過光電模塊轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳入CAN總線控制器，單片機接收到最初發(fā)送的的程序。

第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1相關(guān)器件組成紅牛開發(fā)板（STM32F103ZET6），集成CAN總線控制器；1×9光電模塊；光纖。3.2本文使用開發(fā)板簡介3.2.1概述紅牛STM32開發(fā)板是以意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的基于ARMCortex-M3系列最高配置芯片STM32F103ZE為核心組成。板上資源：CPU：STM32F103ZET6；(LQFP144腳，片上集成512Kflash、64KRAM、12BitADC、DAC、PWM、CAN、USB、SDIO、FSMC等資源)；板上外擴512KSRAM,2MNORFLASH（板上支持最大1024kSRAM，16M的NORFLASH）滿足大容量數(shù)據(jù)采集、處理及分析要求；板上外擴128M或256MNANDFLASH（標(biāo)配128M）滿足彩屏上豐富的圖片存儲、數(shù)據(jù)表格存儲，文件管理等應(yīng)用；搭配2.8寸TFT真彩觸摸屏模塊或3.2寸TFT真彩觸摸屏模塊(由用戶選擇)，F(xiàn)SMC控制，彩屏模塊上配置RSM1843（ADS7843、TSC2046腳對腳兼容）觸摸控制器芯片，支持一個SD卡（SPI方式）可用于存儲圖片，支持一個AT45DB的DATAFLASH（可用于存儲漢字庫）；一路CAN通信接口,驅(qū)動器芯片SN65VHD230；兩路RS232接口；一路RS485通信接口；一個SD卡座SDIO控制方式；一個I2C存儲器接口，標(biāo)配24LC02(EEPROM)；一個SPI存儲器接口，標(biāo)配AT45DB161D(DATAFLASH)；一路ADC調(diào)節(jié)電位器輸入；三路ADC輸入接線端子引出；兩路PWM輸出接線端子引出；兩路DAC輸出接線端子引出；一個蜂鳴器、五個用戶LED燈、一個電源指示燈、一個USB通信指示燈；四個用戶按鍵，一個系統(tǒng)復(fù)位按鍵；電源選擇跳線，支持外接5V電源供電，USB供電或JLINK供電；板子規(guī)格尺寸：13CM×10CM；所有I/O口通過2.54MM標(biāo)準(zhǔn)間距引出,方便二次開發(fā)板上的全部硬件特性能快速幫助你評估STM32F103ZE所有外設(shè)（USB、motorcontrol、CAN、SPI、MicroSDcard、smartcard、USART、NORFlash、NANDflash、SRAM）。3.2.2電路及接口說明1.Powersupply（電源供給）紅牛開發(fā)板采用外部5V電源輸入、USB接口提供5V電源輸入或是由JLINKARM仿真器提供的5V電源供電。5VDC電源適配器連接到J3，電源選擇跳線JP4插到1-2處。選擇外部5V電源供電。把USB電纜連接到USB口J4，電源選擇跳線JP4插到2-3處，選擇USB5V電源供電。把JLINKARM仿真器連接到J5口，在JLINKCOMMANDER中輸入poweronperm即可由JLINK輸出5V電源提供給開發(fā)板供電。表3.1電源選擇跳線設(shè)置Table3.1Powerselectjumpersetting跳線描述JP4JP4用于選擇外部5V電源座輸入5V電源供電，USB供電。跳線短路帽在1-2處為外部5V供電，2-3處為USB口供電。2.Bootoption（啟動選項）紅牛開發(fā)板可以采用以下啟動方式：內(nèi)嵌的用戶閃存（默認(rèn)）；為ISP引導(dǎo)裝載系統(tǒng)內(nèi)存；用于調(diào)試的嵌入式SRAM。啟動方式通過配置BOOT0和BOOT1選擇跳線設(shè)定。表3.2啟動方式選擇跳線設(shè)置Table3.2StartupmodeselectandjumpersettingsBOOT1（JP8）BOOT0（JP9）啟動模式描述（1-2、2-3）2-3紅牛開發(fā)板設(shè)定為UserFlash啟動方式。BOOT1可以任意位置，如插到1-2、2-3或是開路（既不插）默認(rèn)是插到2-3(Defaultsetting)2-31-2紅牛開發(fā)板設(shè)定為SystemMemory啟動方式。1-21-2紅牛開發(fā)板設(shè)定為EmbeddedSRAM啟動方式。3.時鐘源紅牛開發(fā)板由兩個時鐘源提供系統(tǒng)時鐘和RTC時鐘。Y1，32.768kHZ晶震，做為RTC的時鐘源；Y2，8MHZ晶震，做為系統(tǒng)的時鐘源，如果采用內(nèi)部8MRC震蕩器Y2可以不接。4.復(fù)位方式復(fù)位信號在紅牛開發(fā)板上是低電平復(fù)位。復(fù)位方式包括以下幾種方式：復(fù)位按鍵Reset（S1）；通過JTAG仿真下載口輸入復(fù)位信號。5.模擬輸入CN1的AIN0、AIN1、AIN2連接到STM32F103ZE的外部模擬輸入引腳PC0、PC1、PC2上。6.PWM輸出CN1的PWM0、PWM1連接到STM32F103ZE的定時器輸出引腳PB0、PB1。7.DAC輸出CN1的DAC0、DAC1連接到STM32F103ZE的DAC輸出引腳PA4、PA5。DAC0、DAC1輸出引腳與SPI1_NSS、SPI1_SCK引腳復(fù)用。如要使用DAC0和DAC1需要拔掉J1、J2跳線。J1、J2跳線默認(rèn)是插上既分配給SPI1使用。9.顯示接口320×240TFT彩色LCD連接到STM32F103ZEFSMC接的bank1NOR/PSRAM4，5個紅色LED（D1、2、3、4、5）連接到標(biāo)準(zhǔn)IO口PF6、7、8、9、10用于顯示。表3.4彩色TFTLCD接口Table3.4ColorTFTLCDinterface引腳信號描述對應(yīng)IO引腳信號描述對應(yīng)IO引腳信號描述對應(yīng)IO13V3電源2GND地3DB00PD144DB01PD155DB02PD06DB03PD17DB04PE78DB05PE89DB06PE910DB07PE1011DB08PE1112DB09PE1213DB10PE1314DB11PE1415DB12PE1516DB13PD817DB14PD918DB15PD1019CSPG1220RSPF021WRPD522RDPD423RESETRESET24ENPA125MISOPB1426INTPG727MOSIPB1528LEPG829SCLKPB1330F_CSPG1131TP_CSPB1232SD_CSPG15333.2.3接口定義1．模擬輸入、PWM輸出、DAC輸出接口CN1定義表3.7模擬輸入、PWM輸出、DAC輸出接口CN1定義Table3.7Analoginput,PWMoutput,theDACoutputinterfaceandCN1defined針腳數(shù)描述針腳數(shù)描述1AIN06PWM12AIN17GND3AIN28DAC04GND9DAC15PWM010GND2．CAN總線接口CN2定義表3.8.CAN總線接口CN2Table3.8CANbusinterfaceCN2針腳數(shù)描述針腳數(shù)描述1CANH2CANL3．RS485總線接口CN3定義表3.9.RS485總線接口CN3Table3.9RS485businterfaceCN3針腳數(shù)描述針腳數(shù)描述1485AB2485A圖3.1RS232連接接頭CON1，CON2（前視圖）Fig3.1RS232connectorCON1、CON2(frontview)4．RS232通信接口CON1、CON2定義表3.10.CON1定義Table3.10DefinitionofCON1針腳數(shù)描述針腳數(shù)描述1NC6NC2USART1_PA97NC3USART1_PA108NC4NC9NC5GND表3.11.CON2定義Table3.11DefinitionofCON2針腳數(shù)描述針腳數(shù)描述1NC6NC2USART1_PA27NC3USART1_PA38NC4NC9NC5GND5．JTAG調(diào)試接口J5定義圖3.2JTAG調(diào)試接口J5Fig3.2JTAGdebuginterfaceJ5表3.12J5引腳Table3.12PinsofJ5針腳數(shù)描述針腳數(shù)描述13.3Vpower2GND3PB44GND5PA156GND7PA138GND9PA1310GND11RTCK12GND13PB314GND15RESET#16GND17DBGRQ18GND19DBGACK20GND6．USB2.0接口定義表3.12USB連接座引腳定義Table3.12DefinitionofUSBconnectorpins腳位編號功能描述腳位編號功能描述+DP-DMVVBUS（power）GGND7．JTAG和SWD調(diào)試方式選擇跳線接口定義（JP6）在JTAG方式JP6的五個跳線帽必須全部插上。在SWD方式只需插上TMS（SWDIO）TCK（SWDCLK）這兩根跳線既可。3.3光電模塊簡介光收發(fā)模塊，就是在光纖通信系統(tǒng)中用于電光與光電轉(zhuǎn)換的器件，由光接收部分和光發(fā)射部分構(gòu)成，在光信號與電信號之間起著橋梁作用。3.3.1模塊特點工作電壓：+3.3V或+5V；電接口電平：LVPECL電平或PECL電平；工作溫度：商業(yè)溫度0～70℃或工業(yè)溫度-40～85℃；工作速率：155Mbit/s，622Mbit/s，1.25Gbit/s；工作波長：850nm、1310nm、1550nm、CWDM波長；接收端：PINAPD；傳輸距離：0~100公里；光接口類型：SC接口、FC接口、ST接口(帶尾纖的SC接頭帶尾纖的FC接頭)。3.3.21×9模塊管腳定義1.Veer：接地；2.RD：接收數(shù)據(jù)輸入；3.NC：不使用；4.SD：驗證是否有信號輸入，是的話外圍電路的LED燈會熄滅；5.Vccr：接收電源；6.Vcct：發(fā)送電源；7.NC：不使用；8.TD：發(fā)射數(shù)據(jù)輸入；9.Veet：接地。3.4硬件設(shè)計方案基于RS-485/CAN總線光纖收發(fā)器主要的功能是實現(xiàn)RS-485總線、CAN總線、光電模塊、單片機之間的互相通信。它們各自形成自己獨立的體系，因此下面分別各自介紹它們的硬件構(gòu)成。硬件總體需求：STM32架構(gòu)的嵌入式處理器；CAN總線接口及總線設(shè)備(采用紅牛開發(fā)板作為總線設(shè)備，控制部件為STM32F103ZET6單片機)；光纖；1×9光模塊?？傮w設(shè)計圖如下，PAGE22圖3.3總體設(shè)計圖Fig3.3TheoveralldesignPAGE39光纖中的光信號通過TXD（發(fā)送端），RXD（接收端）進入光電模塊，在光電模塊中進行物理層轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，從光電模塊的九個引腳輸出，進入CAN總線控制器。CAN全稱是ControllerAieaNetwork，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的總線之一。它已經(jīng)在車載各電子控制裝置通訊領(lǐng)域的到廣泛的應(yīng)用。CAN總線可以采用多種物理介質(zhì)傳輸信息，最常用的是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為CAN-H和CAN-L。硬件構(gòu)成需要CAN總線控制器和收發(fā)器。CAN總線接口與1×9光模塊連接電路圖如下：圖3.4CAN總線接口與1×9光模塊連接電路圖Fig3.4CANbusinterfaceand1×9opticalmoduleconnectiondiagram電源中的直流電流通過電路中的電容電感的濾波功能，直流電通過電感進入Vccr和Vcct兩端，交流電通過電容進入大地中。圖中電阻R1選用1K，Vcc電壓為3V，電阻1K則電流為3毫安，可以正常點亮D1。開發(fā)板上CAN總線控制器接收，發(fā)送端引腳為P8和P9，見圖3.5。圖3.5CAN總線控制器發(fā)送輸出端引腳Fig3.5OutputpinsofCANbuscontrolleraltiumdesigner繪制的外圍電路圖如圖3.6所示。圖3.6外圍電路圖Fig3.6Externalcircuitaltiumdesigner繪制的外圍電路PCB圖如圖3.7所示。圖3.7外圍電路PCB圖Fig3.7PeripheralcircuitPCBmap

第四章系統(tǒng)測試和實現(xiàn)過程本設(shè)計把STM32F103ZET6芯片和CAN總線控制器與光電模塊結(jié)合起來實現(xiàn)兩塊開發(fā)板上的CAN總線進行數(shù)據(jù)通信。硬件的成熟加上采用簡單實用的C語言編程，設(shè)計過程中全部編程設(shè)計工作都在keilc設(shè)計平臺上實現(xiàn)。4.1KELC軟件介紹4.1.1使用KeilC進行硬件開發(fā)?用C語言開發(fā)工作效率高，產(chǎn)品研發(fā)周期短；?C語言的代碼可讀性和可維護性好；?C語言對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的良好支持；?C語言對存儲空間的自動優(yōu)化管理；?C語言擁有大量現(xiàn)成的功能（函數(shù)）模塊；?C語言程序的一致性和可移植性好；?C編譯器具有較強的程序優(yōu)化能力；?集成C環(huán)境采用直觀的方式進行編譯參數(shù)設(shè)置；?集成C環(huán)境是近代和將來的單片機系統(tǒng)首選的開發(fā)語言[14]。4.1.2使用KeilC進行單片機軟件開發(fā)的步驟?根據(jù)需求確定軟硬件分工，選擇芯片，落實外部存儲空間的訪問地址；?建立uVision2工程，根據(jù)硬件條件進行工程環(huán)境設(shè)置；?確定和實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，及其訪問方案；?確定和實現(xiàn)存儲分配和使用方案、硬件訪問方法，并通過測試程序的驗證；?編寫程序代碼（先框架、其次總體陷阱、然后流程、最后進行功能模塊實現(xiàn)）；?仿真調(diào)試程序（先框架、其次總體陷阱、然后流程，最后進行功能模塊的測試）；?優(yōu)化程序（先流程、后功能模塊）；?燒寫芯片，上板測試和完善。4.1.3使用KeilC注意事項?正確選擇單片機（芯片的匹配）；?正確設(shè)置外部存儲器地址；?充分理解不同的存儲類型的意義；?掌握KeilC常用的環(huán)境參數(shù)設(shè)置；?合理使用變量類型；?正確理解和合理使用指針；?特別注意數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其訪問方法對效率的影響；?需要掌握根據(jù)匯編源文件優(yōu)化C程序的方法；?正確理解“純軟件”仿真[15]。圖4.1軟件編譯Fig4.1Softwarecompiler4.2軟件設(shè)計和測試流程本設(shè)計的測試思路為：先測試CAN總線程序是否正確。再進行一塊板的自發(fā)自收測試，開發(fā)板發(fā)的信號能經(jīng)過外圍電路的輸入端，并從輸出端輸出，進入板內(nèi)程序運行成功，則第一步測試完成。先使用KELC進行程序測試，使LED燈能夠正常點亮，開發(fā)板上的D1，D2點亮，D4閃爍，測試成功。圖4.2程序測試Fig4.2Programtesting圖4.3外圍電路Fig4.3PeripheralcircuitsD1端正極輸入高電平，如果光電模塊沒有接收到信號，則SD端輸出低電平，則D1點亮；如果光電模塊收到信號，則SD端輸出高電平，則D1熄滅。通過觀察D1的點亮和熄滅，能直觀的檢測到信號是否被接收到。進行一塊板的自發(fā)自收測試，不連接光纜，開發(fā)板LED燈一切正常，外圍電路中D1處于點亮狀態(tài)，證明沒有收到信號。如圖4.2所示。圖4.4網(wǎng)線斷開Fig4.4Networkcableisdisconnected把光纜連接在光電模塊兩端，開發(fā)板LED正常，D1熄滅，證明控制器成功收到自己發(fā)送的信號，實驗成功。圖4.5連接網(wǎng)線Fig4.5Connectthenetworkcable

結(jié)論CAN總線應(yīng)用范圍的日趨廣泛，并且能夠適應(yīng)越來越復(fù)雜的環(huán)境,特別是一些強干擾、遠距離、地理分布不均、工作環(huán)境惡劣的場合。傳統(tǒng)的雙絞線已不能滿足需要,采用光纖介質(zhì)不但能解決這些問題，而且給CAN總線應(yīng)用帶來更大的靈活性。實現(xiàn)光纖傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵點就是光纖傳輸接口的設(shè)計,本文提出了一種基于光纖收發(fā)一體模塊的接口方案及其實現(xiàn)，并通過實驗驗證了設(shè)計的正確性，對于在CAN總線這樣速率較低的現(xiàn)場總線中使用光纖傳輸具有一定實用價值。本課題的主要任務(wù)是串口總線收發(fā)器系統(tǒng)的實現(xiàn)。在光纖通信中，使用光纖收發(fā)器將光纖最后一百米內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)變成可在雙絞線中傳輸?shù)碾娦盘?，并用單片機實現(xiàn)光纖到戶的功能，使用實驗室中的電子器材和電路設(shè)計實現(xiàn)了光纖收發(fā)器的功能。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)到了不少課本上沒有的知識，也鍛煉了自己的動手能力，將以前學(xué)過的零散的知識串到一起。通過實踐，加深對單片機知識及其系統(tǒng)的認(rèn)識。使我對STM32系列單片機的接口有了更深層次的理解，熟悉了一些單片機常用的外圍電路引腳和連接方法。致謝語畢業(yè)論文是大學(xué)階段的最后一課。在指導(dǎo)老師張守祥老師的悉心指導(dǎo)下，今天終于完成了課題研究和畢業(yè)論文的全部工作。張老師不僅毫不保留地將其淵博的專業(yè)知識和扎實的實踐技能教給了我，而且還教育我們?nèi)绾巫鋈?，在畢業(yè)設(shè)計上，他給予了我無微不至的幫助，在此請允許我向我的指導(dǎo)老師致以深深的謝意。四年來，學(xué)院的許多老師都對我們的學(xué)習(xí)和生活提供了很大的幫助和便利，他們將其豐富的專業(yè)知識毫不保留地傳授給了我們，認(rèn)真指導(dǎo)了我們的學(xué)習(xí)，才使得我們能在專業(yè)水平上有一個長足的進步。在此，請允許我向他們一各位尊敬的老師致以深深的謝意。最后，我還得感謝我的同學(xué)、朋友們。幾年來，他們都對我的學(xué)習(xí)和生活給予了許許多多的關(guān)心和幫助，特地在此道聲謝謝。同時也感謝我的家人和其他所有給予過我?guī)椭娜藗?，謝謝大家。聶滕芝山東工商學(xué)院信電學(xué)院2012年05月

參考文獻[1]楊憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1999.10.[2]李正軍．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005.6.[3]馬仲梅．ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)[M]．北京：北京航空航天出版社，2002.6．[4]李履信．光纖通信系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002.7.[5]雷肇棣．光纖通信基礎(chǔ)[M]．成都：電子科技大學(xué)出版社，1997.9．[6]周航慈．單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)[M]．北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2003.7.[7]徐德鴻．現(xiàn)代電力電子器件原理與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008.9.[8]胡漢才．單片機原理及接口技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004.5.[9]潘新民．單片微型計算機實用系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：人民郵電出版社，1992.7.[10]鄔寬明．CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995.9.[11]張鳳登．現(xiàn)場總線技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2008.09.[12]廖常初．PLC編程及應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004.4.[13]周明．現(xiàn)場總線控制[M]．北京：中國電力出版社，2002.3．[14]潭浩強．C語言程序設(shè)計[M]．北京：清華大學(xué)出版社．2005.07．[15]長德，李華，李東.MCS51/98系列單片機原理與應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社．1997．

附錄:跑馬燈程序#include"platform_conFigh"typedefenum{FAILED=0,PASSED=!FAILED}TestStatus;vu32ret;volatileTestStatusTestRx;ErrorStatusHSEStartUpStatus;voidRCC_Configuration(void);voidGPIO_Configuration(void);voidNVIC_Configuration(void);TestStatusCAN_Polling(void);TestStatusCAN_Interrupt(void);voiddelayms(u32ms){u32i;for(i=ms*1000;i!=0;i--) { }}intmain(void){inti;#ifdefDEBUGdebug();#endifRCC_Configuration();NVIC_Configuration();GPIO_Configuration();TestRx=CAN_Polling();if(TestRx==FAILED){GPIO_SetBits(GPIO_LED,GPIO_Pin_8);}else{GPIO_SetBits(GPIO_LED,GPIO_Pin_6);}TestRx=CAN_Interrupt();if(TestRx==FAILED){for(;;) {GPIO_SetBits(GPIO_LED,GPIO_Pin_9); delayms(1000); GPIO_ResetBits(GPIO_LED,GPIO_Pin_9); delayms(1000); }}else{GPIO_SetBits(GPIO_LED,GPIO_Pin_7);for(;;) {GPIO_SetBits(GPIO_LED,GPIO_Pin_7); delayms(1000); GPIO_ResetBits(GPIO_LED,GPIO_Pin_7); delayms(1000); }}while(1){}}voidRCC_Configuration(void){RCC_DeInit();RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);HSEStartUpStatus=RCC_WaitForHSEStartUp();if(HSEStartUpStatus==SUCCESS){FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div1);RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSE);while(RCC_GetSYSCLKSource()!=0x04)}RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIO_LED,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN,ENABLE);}voidGPIO_Configuration(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIO_LED,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_12;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);}voidNVIC_Configuration(void){NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;#ifdefVECT_TAB_RAMNVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_RAM,0x0);#elseNVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH,0x0);#endifNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USB_LP_CAN_RX0_IRQChannel;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);}TestStatusCAN_Polling(void){CAN_InitTypeDefCAN_InitStructure;CAN_FilterInitTypeDefCAN_FilterInitStructure;CanTxMsgTxMessage;CanRxMsgRxMessage;u32i=0;u8TransmitMailbox;CAN_DeInit();CAN_StructInit(&CAN_InitStructure);CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;CAN_InitStructure.CAN_ABOM=DISABLE;CAN_InitStructure.CAN_AWUM=DISABLE;CAN_InitStructure.CAN_NART=DISABLE;CAN_InitStructure.CAN_RFLM=DISABLE;CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;CAN_InitStructure.CAN_Mode=CAN_Mode_Normal;CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_1tq;CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_8tq;CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_7tq;CAN_InitStructure.CAN_Prescaler=5;CAN_Init(&CAN_InitStructure);CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=0x0000;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0x0000;