15汽车无源光学星形网络.docx

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15汽车无源光学星形网络

汽车无源光学星形网络

1．什么是汽车无源光学星形网络

高速数据通信网络用于汽车电子控制系统，除了采用前述的金属线芯制成的双绞线等通信媒体外，光纤传输系统应用于汽车上也日趋成熟。

汽车无源（不能放大或产生能量的传输系统）光学星形网络主要由以下四部分组成:

无源光学星形，光发送器（光二极管LED），在节点上的光接收器，节点与星形之间的发送和接收光纤。

图1是双端星形和单端星形路由模式。

双端星形（图1a）设置有纤维缠结，将输入和输出光纤有序地连通至各个节点。

图中的有效尺寸主要是指纤维缠结构成的光纤张紧区。

该张紧区和有效的封装尺寸可以通过收紧路由光纤使其减小，但路由光纤的弯曲半径不能小于25mm，否则会增加光源损耗和星形接入损耗。

单端星形（图lb）与双端星形相比较，输入和输出纤维与各个节点的路由简单得多。

混合线元星形是通过齐平式连接的纤维来向混合线元的输入和输出面散布光信号（图2）。

从任一根发送光纤传送出的光被耪合到混合线元的输入侧，当光通过混合线元传播时，光源被同时均匀地散布到输出端，所有的接收光纤再在输出端耦合。

图1汽车双端和单端星形路由模式

图2混合线元星形

双锥形星形指由数根光纤重新组成交叉式的热或化学熔结，构成混合的短锥形区（图3）。

光从任一根输入光纤射人短锥形区，传播到短锥形区的输出端，同时均匀地散布到输出光纤束的各根纤维上。

图3双锥形星形

熔丝对星形基本上是一种格栅串联的许多2×2耪合接头每个耦合接头由光纤柬采用热、化学或声波焊接成对，再形成一个混合区（图4）。

通过这些格栅串联的糖合接头，光从其中的一根光纤输入，然后散布至全部的输出光纤。

图4熔丝对星形

2．新型汽车采用的光学星形网络类型

一种是不带成簇连接的星形网络，如图5所示，其特征如下:

5个节点都安置在座舱内;所有的节点已连成汽车的主线束，勿需成簇连接;断损的纤维只能更换不能修理;线束上两个节点之间的距离最长不超过l0m;不需作特殊的路由选择;使用NRZ信号，网络操作在IMbp，的信号传输速率。

针对所有的节点，该系统允许使用85℃的光缆和85℃的光电元件。

由于路由弯曲半径不超过25mm，故不含路由损耗，当然也不包括成簇连接或绞接（处）损耗，但毕竟少不了接人损耗。

这种星形网络的最大损耗如下:

纤维（长10m）衰减损耗2.5dB，星形接人损耗（5个节点分离损耗和3.OdB超量损耗）1OdB，安全储备损耗3dB，总损耗15.5dB。

图5无成簇连接的星形网络

另一种是带成簇连接的星形网络如图6所示，其网络特征如下，网络要求有10个节点，其中6个（Nl~N6）安置在座舱中，4个安置在发动机舱内;主线束与发动机罩下线束之间需要一组成簇连接;成簇线束的每根光纤允许维修1次;节点之间的最长距离为14m;8个节点中必须的光纤路由弯曲半径不能小于10mm;网络以NRZ信号操作速率为1Mbps。

图6成簇连接的星形网络

由于有节点安置在发动机舱内，因此，这部分光缆和光电元件的使用温度比前一种高，为125℃。

与此同时，发动机舱内线束光纤的衰减较大。

这种星形网络的最大损耗如下:

纤维（6m长的125℃纤维与l0m长的85℃纤维）衰减损耗4.9dB，星形接入损耗（1OdB分离损耗和3.5dB超量损耗）13.5dB，路由损耗ldB，成簇连接处损耗（2个成簇连接）3dB，成簇线束维修（2个成簇连接维修）损耗3dB，安全储备损耗3dB，总损耗28.4dB。

3.无源光学星形网络的故障种类

无源光学星形网络的故障种类主要有以下4种:

（1）网络故障。

与铜导线相比，光纤更为耐用，但其物理层时常故障发生。

节点与星之间的光纤长度方向、成簇连接的光纤与光纤之间和无源光学星形自身潜在的故障会使光衰减增多，一旦超过链路通信总损耗限值，就会导致链路断路。

（2）光纤故障。

光缆虽然非常耐用，但物理方面的误用可能导致光纤衰减增大。

例如，特别绷紧的光纤路由会使链路衰减增大;光缆路由张紧的弯曲半径小于最小的25mm规定，光纤张紧的弯曲处的光线就会超出临界角，光纤的衰减也会增大。

如果所用的链路操作在敏感限值附近，那么，从光纤的过量弯曲处附加的衰减可能引发通信错误。

其他物理误用的例子还有光纤紧压变薄会改变光纤芯部几何尺寸，造成部分光逃逸;光缆被擦伤，擦伤点的护套脱开或芯部接口和芯的包层界面损坏等都会造成光逃逸。

这些都会增加光纤衰减，影响链路工作。

如果是单根光纤损坏或折断，通信只在一根链路上潜在着障碍;如果光纤损坏是从节点到星的发送路径，那么，网络上的每个接收器会查出受影响的节点减弱的信号，并将错误首先通知链路中最不敏感的接收器;如果光纤损坏是从星到某个节点的接收路径，那么，网络上各个节点的接收器会获知该节点上的接收器减弱的信号，并将错误首先通知网络上最弱的发送器;如果光纤损坏严重，所有节点的通信都将受到影响。

（3）成簇连接故障。

成簇连接指光纤到光纤的连接区，汽车线束在该连接区被分段（如在仪表板交接处或发动机舱壁板交接处分段）。

典型的成簇连接是由发动机舱壁交界处由两个接头配对构成。

光束基本上是由严格校直的两组纤维散布成圆柱形。

虽然光纤连接系统的可靠性高于铜线连接，但由于每个接头不可能只由一个总装厂配对，因此不易形成零概率故障，即衰减难以避免。

光学成簇连接的两组光纤只有保持齐平式连接，才能确保两组光纤之间良好的光耦合。

光纤中的某一根发生扭曲或拉长等，都会增加链路衰减。

成簇组合不当，也会增加衰减，并沿着接收和发送路径影响节点的操作。

（4）光学星形故障。

光学星形潜在的故障在于星形线元，而星形线元的问题主要又取决于星形结构。

前述3种无源星形结构故障模式不尽相同。

1）混合线元星形故障。

如果在某个节点的发送光纤与混合线元之间发生损耗，造成的影响与前述的光纤故障很相似，所有接收器可以查出受影响的那个节点减弱的信号，并首先将错误通知最不敏感的接收器;同样，如果损耗发生在某个节点的接收光纤与混合线元之间，那么，网络上所有发送器发送的信号将在受影响的节点的接收器上显示减弱，并首先将错误显示在最弱的发送器的节点链路中。

如果混合线元发生诸如断裂等的严重损坏，网络通信则中断。

2）双锥形星形故障。

双锥形星形若在中心接头组合不当，则故障概率比输入光纤引起的损耗大得多。

若是星形引出端接头上光纤到光纤的连接受到干扰，沿着受影响的节点的发送和接收路径的衰减就增大。

若在混合区出现断裂点，则会造成网络通信全部中断。

对于双锥形星形故障尤其要注意的是，由于短锥形混合区极脆，如果该区受载容易碎裂。

3）熔丝对星形故障。

为了便于汇集成汽车线束，熔丝对星形也需要有引出端，让光纤成束连通至各个节点。

熔丝对的耦合点较多，因此，潜在的故障点和衰减的可能性也较其他星形结构多些。

另外，光纤束的各个焊点也较脆，受载极易碎裂，所以故障率较其他星形结构高。

4．市售的各种光学网络诊断仪和光时域反射计（OTDR）等能否用于汽车光学网络的故障诊断

诊断和维修汽车无源光学网络媒体的故障，不能用传统的"手摸"或"耳听"等经验维修方法，而需要用光学网络检测设备帮助查找故障部位。

用于汽车上的网络故障诊断仪应具备以下特点:

容钝使用，尺寸应小和携带方便，能直接指明故障源，通用性好，能检测各种型号的无源星形网络汽车的故障，最后应是价格低。

市场上有许多光学测试设备，从简单的功率计到光时域反射计等，都不能用于汽车光学星形网络的测试诊断，原因是这些仪器是针对电信或实验室用的，尤其是各种接头标准是围绕电信工业拟定的。

汽车网络所用的测试仪的各种接头是按汽车工业标准设计的，而且，提供给用户的检测诊断模式是比较灵活的——既能测出任一节点的衰减，也能测出网络中任意两个节点之间的衰减。

当然，汽车光学网络诊断仪也并非是万能的。

它不可能包含各种车型的维修数据和光衰减值，若要将世界上各种光学星形网络的汽车资料都存储在诊断仪中，那这种仪器就失去了“尺寸小、携带方便和价格低”等特点。

所以，使用诊断仪的同时，还必须找到该车型的维修手册，因为光学网络的第一手资料是“沿着网络路径的光源的衰减值”。

诊断仪上测出的衰减值多少为合格必须与维修手册上规定的衰减值相对比才行。

5．汽车光学网络诊断仪的使用

汽车光学网络故障诊断仪如图7所示。

它按两条基本通信路径测试：

模式I可测量链路中任一节点自身的衰减；模式Ⅱ可测量链路中沿着发达和接收两条路径的任何两个节点之间的衰减。

不管哪种诊断模式，第一步都必须对诊断仪定标。

原因是这类诊断仪主要是测量相对功率，通过定标可以先了解链路的衰减特性，如0.5m长的参考纤维可以将仪器标定为"零"刻度。

通过定标过程，可以消除以下一些误差和损耗:

用于诊断仪中的LED与接收器最重要的性能就是在整个测量时间或所处环境温度发生改变时会出现误差，通过定标，以当时的环境条件为LED输出功率和接收器灵敏度的参考标准，这样能保证测量误差极小;由于作连接用的参考光纤参与了定标，诊断仪的"零"刻度包括了光纤至电子器件的耦合损耗。

图7光学网络诊断仪

诊断仪的使用方法如下:

（1）诊断模式I（自测试）。

在此模式下（图8），同一节点的发送线（Tx）和接收线（Rx）受到检测。

所测到的功率损耗代表3种故障情况:

发送光纤到星的衰减，星的接人损耗，从星到接收纤维的衰减。

如果上述衰减接近维修手册中表列的最大值，那么，被测的节点自身及与该节点之间的通信可能发生错误。

图8模式I（自测试）

（2）诊断模式Ⅱ（全部路径测试）。

在此模式下（图9）,必须同时采用两个光学诊断仪。

两个诊断仪测量从节点A发送器到节点B接收器路径的衰减（包括节点A的发送纤维的衰减、星形的接人损耗和节点B的接收纤维的衰减）,以及从节点B发送器到节点A接收器路径的衰减（包括节点B的发送纤维的衰减、星形的接人损耗和节点A的接收纤维的衰减）。

如果沿两条路径的衰减大于允许值，则链路可能出现通信错误。

图9模式Ⅱ（双路测试）

（3）测试过程。

无论是周期性故障（间歇或断续故障引起的衰减使系统操作在超出规范的较高位误码率）还是全系统故障（链路全部衰减），都可通过存取网络出错记录的较高等级诊断程序，由维修人员查找出节点间的通信问题。

简略的测试过程如下:

1）诊断仪与被怀疑的节点相连接，将模式开关调至I位置，即可像图8那样开始检测可疑节点的链路衰减，若衰减在规范内，则可进行下一步骤。

2）诊断仪仍然以模式I方式测试第二个被怀疑有故障的节点，方法同1）。

若链路衰减也在规范内，则可进行下一步骤。

3）将诊断仪模式开关调至I位置，即可测试节点A到节点B（或从节点B到节点A）的通信路径。

如果链路衰减仍在规范内，但仍觉汽车有毛病，即可判定故障存在于被怀疑节点的电子线路中。

4）按上述测试，若链路衰减超出规定，则可沿被测路径查找问题。

最简单的方法是更换发送和接收光纤，然后重新测试，如果链路衰减仍然超出规定，则应更换无源光学星形。

也可利用所有"三定点"测到的信息来分析问题。

例如，测到从节点A回到自身的衰减高于规范，故障就可能存在于节点A发送和接收路径的某个地方。

但如果从节点A回到自身与从节点B回到自身的两条路径的衰减都高于规范，那么，故障大多存在于星形中。

简单地说，A和B的不正常（衰耗）根源在于C（星形）。

按此“三定点”测试理论，可得到图10的故障诊断流程图，结合该车型的维修手册中规定的链路衰减（损耗）规范，则可帮助维修人员迅速查找到故障部位。

图10光学网络故障诊断流程