雙餘度光纖can總線組網方法
2023-05-26 15:46:21 2
專利名稱：雙餘度光纖can總線組網方法
技術領域：
本發明屬於CAN總線網絡技術，特別涉及採用光纖波分復用雙向傳輸信號技術的 CAN總線集線器和以該集線器為核心的雙餘度光纖CAN總線網絡組網方法。
背景技術：
CAN(ControIler Area Network)總線是一種採用非破壞逐位競爭機制實現串行 多主通信的現場總線網絡，目前所用的CAN總線都是基於金屬雙絞屏蔽線進行信號傳輸 的，採用金屬雙絞屏蔽線的CAN總線網絡存在以下問題(1)總線節點過多時，易造成總線 參數的失配；(2)節點電路的抗幹擾保護措施也會造成總線參數的失配；(3)節點的地域分 布過大，電纜的分布參數造成總線參數失配；(4)節點間的共模電位差超出收發器規定特 性造成的總線參數失配以及(5)電線存在的電磁幹擾等，這些問題將導致CAN總線網絡的 通信速率下降和可靠性降低。同時，為了解決諸如航空航天、軍用裝備等高可靠應用領域的組網問題，單餘度一 般無法滿足要求，多採用多餘度總線，至少採用雙餘度，以提高網絡的可靠性。即構建兩套 完全相同的A、B總線，並在總線上傳輸完全相同的信息，A、B總線互為冗餘備份。而光纖是一種單向傳輸光信號的介質，並且具有免電磁幹擾的特性。目前，光纖 通信一般是採用兩根光纖分別發送和接收信號，網絡節點中的光發送模塊(LED)和光接收 模塊(PIN)是兩個獨立功能的器件；光纖模塊和光纖之間的連接一般採用光纖連接器來實 現。光纖連接器的類型很多，目前常用的類型有SC、FC和ST等。構成雙餘度的CAN總線 網絡時，必須要有可靠的物理措施，來防止雙餘度總線網絡光纖的插錯。在CAN總線的標準中，並不限制網絡的物理層採用何種傳輸介質，即可以採用普 通金屬線、金屬雙絞屏蔽線和光纖等任何介質。但是，無論採用哪種介質，都必須保證CAN 總線網絡的通信機制，保證網絡物理層之上完全符合CAN總線標準的定義，這也是CAN總線 標準所具有的靈活性。目前，關於光纖CAN總線組網已提出了幾種實施方案，主要有環形光纖CAN總線 組網、光纖CAN總線自愈環網和一種基於雙光纖的CAN集線器組網方案等，但是這些方案中 存在著光-電、電-光轉換環節多、延時長、總線速率低、節點少和組網不靈活等問題。
發明內容
本發明的目的用光纖替代CAN網絡中的金屬雙絞線，並在現有的雙光纖CAN總線 集線器的基礎上提出一種基于波分復用雙向信號傳輸技術的新型單光纖CAN總線集線器， 以及採用兩臺這樣的集線器構成具有防插錯功能的雙餘度CAN總線網絡和雙餘度CAN總線 網絡的級聯擴展方法。本發明的技術方案是本發明在CAN總線網絡的物理層保留CAN網絡中的CAN控 制器，重新設計網絡物理層，以收/發一體化的光模塊LED/PIN替代CAN收發器，以單光纖 替代金屬雙絞屏蔽線，以收/發不同波長的光波進行信息傳輸，並保證網絡物理層之上完全符合CAN總線標準的定義。並以此為基礎提出一種雙餘度單根光纖CAN總線集線器的組網方法，將兩臺具有 η個非級聯光口和一個級聯光口的光纖CAN總線集線器與η個雙餘度光節點採用2η根單光 纖相連，構成雙餘度的A、B兩個完全相同的光纖CAN總線網絡。
所述光纖光纖CAN總線集線器內置一個可編程器件CPLD，用於邏輯編程；n+1個收 /發一體化光模塊LED/PIN用於實現信息的光/電或電/光轉換；本集線器的非級聯光口與 級聯光口採用不同類型光纖連接器的組合(文中定義採用FC或SC型)，如光模塊 LED/PIN採用FC或SC型光纖連接器構成η個非級聯光口，則第η+1#個光模塊LED/PIN必 須採用不同的SC或FC型光纖連接器構成級聯光口 ；n+1個光模塊中的光_電轉換PIN電 路的輸出接CPLD的輸入腳RX⑴…RX (n+1) ；n+1個光模塊中的電-光轉換LED電路的輸入 接CPLD的輸出腳TX(I)…TX (n+1)；光纖CAN總線集線器可工作在主方式或從方式，級聯光 口端的集線器工作在從方式，非級聯光口端的集線器工作在主方式。所述的η個具有A、B兩個通道的雙餘度光節點，每個通道均包括1個CAN控制器 和1個收/發一體化光模塊LED/PIN ；兩個通道的收/發一體化光模塊LED/PIN採用不同 類型的光纖連接器；且每個通道的收/發一體化光模塊與相應網絡光纖CAN總線集線器端 的收/發一體化光模塊LED/PIN也採用不同類型的光纖連接器，如A通道採用SC/FC型光 纖連接器的收/發一體化的光模塊LED/PIN，B通道則採用FC/SC型光纖連接器的收/發一 體化的光模塊LED/PIN ；光模塊LED/PIN中的光-電轉換PIN電路的輸出接CAN控制器的 輸入腳RXD，光模塊LED/PIN中的電-光轉換LED電路的輸入接CAN控制器的輸出腳TXD。所述任意兩種光纖連接器類型的收/發一體化光模塊均採用任意兩種波長的光 波收/發信息，如所有FC型光纖連接器收/發一體化光模塊中的電_光轉換LED電路均採 用Tx = 1310nm波長作為發送窗口，光-電轉換PIN電路採用Rx = 1550nm波長作為接收 窗口 ；所有的SC型光纖連接器收/發一體化光模塊則剛好相反，其中的電-光轉換LED電 路採用Tx = 1550nm波長作為發送窗口，光-電轉換PIN電路採用Rx = 1310nm波長作為 接收窗口。基於光纖CAN總線集線器的雙餘度單光纖CAN總線網絡，具有η個非級聯光口和 一個級聯光口的A總線集線器和B總線集線器與η個具有C、D通道的雙餘度光節點通過單 光纖連接；A總線集線器的η個非級聯光口採用FC型光纖連接器的收/發一體化的光模塊 LED/PIN，級聯光口則採用SC型光纖連接器的收/發一體化的光模塊LED/PIN ；B總線集線 器則剛好相反，η個非級聯光口都採用SC型光纖連接器的收/發一體化的光模塊LED/PIN， 級聯光口則採用FC型光纖連接器的收/發一體化的光模塊LED/PIN ；A、B總線集線器通過 2n根光纖與η個雙餘度光節點的C通道和D通道分別相連。所述的2η根光纖如果一端為SC/FC型光纖連接器，則另一端必須為FC/SC型光纖 連接器，保證了 FC型光纖連接器的光口通過上述單根光纖只能與SC型光纖連接器的光口 相連，實現網絡連接的防插錯功能。所述的雙餘度單光纖CAN總線網絡可通過集線器的級聯進行擴展，Α、Β光纖CAN集 線器對應光口的光模塊LED/PIN必須採用不同類型的光纖連接器，從而確保級聯與非級聯 以及A網絡與B網絡之間的光口不會因為連接器的原因造成接；兩臺(從方式1#A總線集 線器和主方式2#A總線集線器)是具有n+1個光口的同類型A(或B)總線網絡的集線器，相對而言，級聯光口端的集線器工作在從方式，非級聯光口端的集線器工作在主方式；從方式1#A總線集線器的級聯光口通過單光纖與主方式2#A總線集線器的#1非級聯光口(可 任意接入其它的非級聯光口)連接；從而將兩個總線集線器的局域CAN網絡連接成一個更 大的網絡，進一步的網絡擴展與此相同。本發明的優點和有益效果是1、採用基于波分復用雙向信息傳輸技術的收/發一體化光模塊和複雜可編程邏 輯器件CPLD實現「線與」邏輯的單光纖CAN總線集線器可將多個光CAN節點連接在一起， 實現完全符合CAN總線規範的CAN總線網絡；2、採用基於本方案光纖CAN總線集線器進行組網的方法與其它組網方法相比，可 以實現本集線器的n+1個光口相當於「並聯」，減少了光口「串聯」型網絡光電轉換、電光轉 換和光纖傳輸過程中的延時，極大地提高了網絡信息傳輸的速度或負載能力(節點數量)；3、採用兩臺單光纖CAN總線集線器構成雙餘度單光纖CAN總線網絡時，針對集線 器所在網絡的不同，集線器上相同位置的光口選用了不同光纖連接器型號的光模塊，從物 理上保證了 A、B總線網絡的光纖不會插錯，使系統具有了可靠的防插錯功能；4、採用收/發一體化光模塊，在一根光纖中用2種波長的光波進行信息傳輸，減少 了光纖和光模塊的數量，簡化了網絡構型，便於總線網絡的安裝和維護；5、同類型的集線器級聯可實現雙餘度光纖CAN總線的擴展、擴展後的光纖CAN總 線網絡仍然具有防插錯功能，極大地提高了系統組網的靈活性、可靠性和安全性；6、採用光纖的CAN總線網絡具有免電磁幹擾能力，極大地提高了 CAN總線網絡在 惡劣電磁環境中的生存力、安全性和可靠性，特別適合航空、航天和軍事領域的應用；7、採用光纖進行信號傳輸，消除了雙絞線傳輸的固有缺陷，提高了總線的負載能 力(節點數量)和通信速率。
圖1為本發明光纖CAN總線集線器框圖；圖2為本發明雙餘度光纖CAN總線組網結構框圖；圖3為本發明單餘度光纖CAN總線的級聯擴展示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作詳細描述上述光纖CAN總線集線器按圖1所示的原理框圖實現，光纖CAN總線集線器內置 一個可編程器件CPLD，用於邏輯編程。n+1個收/發一體化光模塊LED/PIN用於實現信息 的光-電或電-光轉換。本集線器的非級聯光口與級聯光口採用不同類型光纖連接器的組 合(文中定義採用FC或SC型)，如光模塊LED/PIN採用FC或SC型光纖連接器構 成η個非級聯光口，則第η+1#個光模塊LED/PIN必須採用不同的SC或FC型光纖連接器構 成級聯光口 ；如果構建餘度光纖CAN總線集線器，則A、B光纖CAN集線器對應光口的光模塊 LED/PIN必須採用不同類型的光纖連接器，從而確保級聯與非級聯以及A網絡與B網絡之間 的光口不會因為連接器的原因造成錯接。n+1個光模塊中的光/電轉換PIN電路的輸出接 CPLD的輸入腳RX⑴…RX(n+1) ；n+1個光模塊中的電-光轉換LED電路的輸入接CPLD的輸出腳TX⑴…TX (η+l)；光纖CAN總線集線器可工作在主方式或從方式，級聯光口端的集 線器工作在從方式，非級聯光口端的集線器工作在主方式。所述的η個具有A、B兩個通道的雙餘度光節點如圖1所示，每個通道均包括1個 CAN控制器和1個收/發一體化光模塊LED/PIN，節點處理器等其它部分省略未畫出。兩個 通道的收/發一體化光模塊LED/PIN採用不同類型的光纖連接器；且每個通道的收/發一 體化光模塊與相應網絡光纖CAN總線集線器端的收/發一體化光模塊LED/PIN也採用不同 類型的光纖連接器，如C通道採用S C/FC型光纖連接器的收/發一體化的光模塊LED/PIN， D通道則採用FC/SC型光纖連接器的收/發一體化的光模塊LED/PIN ；光模塊LED/PIN中的 光_電轉換PIN電路的輸出接CAN控制器的輸入腳RXD，光模塊LED/PIN中的電-光轉換 LED電路的輸入接CAN控制器的輸出腳TXD。圖1所示的任意兩種光纖連接器類型的收/發一體化光模塊均採用任意兩種波長 的光波收/發信息。為便於描述，本文在圖2中定義所有FC型光纖連接器收/發一體化光 模塊中的電-光轉換LED電路均採用Tx = 1310nm波長作為發送窗口，光-電轉換PIN電 路則採用Rx = 1550nm波長作為接收窗口 ；所有的SC型光纖連接器收/發一體化光模塊 則剛好相反，其中的電-光轉換LED電路採用Tx = 1550nm波長作為發送窗口，光-電轉換 PIN電路採用Rx = 1310nm波長作為接收窗口。基於光纖CAN總線集線器的雙餘度單光纖CAN總線網絡詳見圖2，具有η個非級 聯光口和一個級聯光口的A總線集線器和B總線集線器與η個具有C、D通道的雙餘度光節 點通過單光纖連接。本圖例中A總線集線器的η個非級聯光口採用FC型光纖連接器的收 /發一體化的光模塊LED/PIN，級聯光口則採用SC型光纖連接器的收/發一體化的光模塊 LED/PIN ；B總線集線器則剛好相反，η個非級聯光口都採用SC型光纖連接器的收/發一體 化的光模塊LED/PIN，級聯光口則採用FC型光纖連接器的收/發一體化的光模塊LED/PIN。 A、B總線集線器通過2η根光纖與η個雙餘度光節點的C通道和D通道分別相連。所述的2η根光纖如果一端為SC/FC型光纖連接器，則另一端必須為FC/SC型光纖 連接器，如此設計保證了 FC型光纖連接器的光口通過上述單根光纖只能與SC型光纖連接 器的光口相連，實現網絡連接的防插錯功能。所述的雙餘度單光纖CAN總線網絡可通過集線器的級聯進行擴展，圖3給出了 A 總線網絡的級聯擴展示意圖。兩臺(從方式1#A總線集線器和主方式2#A總線集線器)是 具有η+l個光口的同類型A (或B)總線網絡的集線器，相對而言，級聯光口端的集線器工作 在從方式，非級聯光口端的集線器工作在主方式；本示意圖中從方式碰總線集線器的級 聯光口通過單光纖與主方式2#A總線集線器的#1非級聯光口(可任意接入其它的非級聯 光口)連接；從而將兩個總線集線器的局域CAN網絡連接成一個更大的網絡，進一步的網絡 擴展與此相同。B總線網絡的級聯擴展與A總線網絡的級聯方法相同，不再贅述。以下再對本發明工作原理作進一步說明圖2所示的雙餘度光纖CAN總線網絡中，節點CAN控制器發出和接收到的「隱性」 位和「顯性」位在TXD和RXD引腳上分別表現為高電平和低電平。光信號在光纖介質中雙 向傳輸時，要設計成有某個窗口波長的光信號傳輸時對應方向上傳輸的是「顯性」位，無某 個窗口波長的光信號傳輸時對應方向上傳輸的是「隱性」位。如此設計保證了光纖未接入 或因某種原因造成光纖意外斷開時，進入集線器的信號總是「隱性」位，不會「阻塞」其它節點的正常通信。當圖1所示的光纖CAN總線集線器工作在主方式時，其中的可編程邏輯器件CPLD 中的邏輯按如下n+1個方程式組設計TX (1)、TX (2)、…、TX (n)、TX (n+1)=RX(l)&RX(2)&...&RX(n)&RX(n+l) (1)其含義是將輸入到CPLD中的n+1個信號RX⑴，RX⑵…RX (η)，RX (n+1)的信號全 部相「與」後，再送回n+1個輸出TX⑴，TX⑵…TX(n)，TX(n+1) 0採用CPLD邏輯「與」替 代雙絞線的「線與」功能。當集線器上第i個光口懸空未用時，對應的PIN無光信號輸入， CPLDll的輸入RX(i) = 1，為「隱性」電平，故不會影響方程式組(1)的「與」效果。圖1所示的1#雙餘度光節點的A通道CAN控制器發出「顯性」或「隱性」位信號時， TXD引腳的相應輸出為「低」電平或「高」電平，收/發一體化光模塊LED/PIN中的電-光轉 換LED電路「發出」或「不發出」 Ynm的光信號，該光信號通過1#光纖傳輸到達光纖CAN總 線集線器1#光口的收/發一體化光模塊LED/PIN，LED/PIN中的光-電轉換PIN電路根據 是否收到Ynm光信號，輸出「低」電平或「高」電平信號並從RX(I)腳送入CPLD中，該信號與 其它節點送來的信號「與」邏輯運算後通過TX(I)腳輸出發給1#光口 LED/PIN中的電-光 轉換LED電路，並根據TX⑴為「低」電平或「高」電平「發出」或「不發出」Xnm的光信號， 該光信號通過1#光纖傳輸返回到1#雙餘度光節點的C通道收/發一體化光模塊LED/PIN 中的光_電轉換PIN電路，最後送入1#雙餘度光節點的C通道CAN控制器的RXD輸入腳。由上述分析可知，網絡中各個光節點發出的「隱性」位或「顯性」位信號到達集線 器，在CPLD中進行「與」邏輯運算後，發回各個節點，符合CAN總線標準對物理層信號傳輸 特性的要求，故可保證網絡中各個節點實現CAN總線特有的多主非破壞逐位競爭方式的通
fn °在如圖3所示的級聯組網應用場合，當圖1所示的A總線集線器工作在從方式時， 其中的可編程邏輯器件CPLD中的邏輯按下列單個方程式(2)和η個方程式組(3)設計TX (n+1) = RX (1) &—&RX (η)(2)TX(I)，—, TX(η) = RX(n+1) (3)上述方程式的其含義是將輸入到從集線器中的η個信號RX(I) ···! (η)(不包括 RX(n+1))全部相「與」後，通過級聯光口的TX(n+1)送入主集線器中與主集線器中的所有其 它信號再次相「與」後，再從級聯光口的RX(n+1)回到從集線器中，然後從η個輸出ΤΧ(1)··· TX(η)發回各個節點。只要主、從集線器的邏輯按(1)、(2)和(3)設計實現，集線器的級聯可以有很多 級，多級級聯時只能有一個集線器工作在主方式，其它集線器均工作在從方式。隨著級聯數 的增加，可接入的節點數增多，但信號傳輸的延時增加，故可實現的最高CAN總線速率隨之 下降。所述的光纖可採用單模或多模光纖。所述的兩種不同光纖連接器型號的收/發一體化光模塊可採用FC和SC型光纖連 接器，也可採用其它不同型號的組合。所述的FC型光纖連接器的收/發一體化光模塊可採用任何一款發送波長為 Xnm(文中定義為1310nm)，接收波長為Ynm(文中定義為1550nm)的傳輸速率為DC 1、2、3、5或IOMHz的基帶傳輸型光纖模塊。所述的SC型光纖連接器的收/發一體化光模塊可採用任何一款發送波長為Ynm(文中定義為1550nm)，接收波長為Xnm(文中定義為1310nm)的傳輸速率為DC 1、2、 3、5或IOMHz的基帶傳輸型光纖模塊。所述的可編程邏輯器件CPLD可採用任何一個公司生產的具有足夠邏輯資源的 CPLD或FPGA實現。所述的CAN總線控制器可採用任何一款符合CAN總線規範的晶片，如SJA1000。
權利要求
雙餘度光纖CAN總線組網方法，其特徵在於將具有n個非級聯光口和一個級聯光口的兩臺A、B光纖CAN總線集線器，通過2n根單光纖與n個具有C、D兩個通道的雙餘度CAN總線光節點相連，從而構成雙餘度的光纖CAN總線網絡。
2.如權利要求1所述的雙餘度光纖CAN總線組網方法，其特徵在於所述光纖CAN總 線集線器由n+1個收/發一體化光模塊和一片可編程邏輯器件CPLD構成n個非級聯光口 和一個級聯光口 ；n+1個光模塊的光-電轉換電路PIN的輸出端接CPLD的輸入腳RX(1)… RX(n+l) ；CPLD的輸出腳TX(1)…TX(n+l)接各個光模塊中的電-光轉換電路LED的輸入端； 總線集線器可工作在主方式或從方式，採用CPLD的邏輯「與」功能替代雙絞線的「線與」功 能。
3.如權利要求1或2所述的光纖CAN總線集線器的組網方法，其特徵在於所述具有 C、D兩個通道的CAN總線光節點，每個通道均由1個收/發一體化光模塊LED/PIN和1片 CAN控制器構成；兩個通道的收/發一體化光模塊LED/PIN採用不同類型的光纖連接器；且 每個通道的收/發一體化光模塊LED/PIN與相應網絡光纖CAN總線集線器端的收/發一體 化光模塊LED/PIN也採用不同類型的光纖連接器；光模塊LED/PIN中的光-電轉換PIN電 路的輸出接CAN控制器的輸入腳RXD，光模塊LED/PIN中的電-光轉換LED電路的輸入接 CAN控制器的輸出腳TXD。
4.如權利要求1、2或3所述的雙餘度光纖CAN總線組網方法，其特徵在於所述A、B 光纖CAN總線集線器光模塊的光纖連接器採用不同類型的組合；兩種類型的光模塊LED/ PIN分別實現信息的光_電或電_光轉換，並採用不同波長的光波收/發信號；同一網絡光 纖CAN總線集線器的非級聯光口與級聯光口採用不同類型的光纖連接器；雙餘度A、B光纖 CAN總線集線器上對應光口的收/發一體化光模塊採用不同類型的光纖連接器。
5.如權利要求1、2、3或4所述的雙餘度光纖CAN總線組網方法，其特徵在於所述2n 根光纖兩端採取不同類型的光纖連接器，使得A (或B)光纖CAN總線集線器上的光口通過 這種光纖只能與雙餘度光節點中的C(或D)通道的光口相連。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的光纖CAN總線集線器的組網方法，其特徵在於所 述A (或B)光纖CAN總線集線器上的級聯光口，其功能是用於網絡的擴展，工作在從方式的 光纖CAN總線集線器通過級聯光口用一根單光纖接入另一臺工作於主方式的同類型的光 纖CAN總線集線器的任意一個非級聯光口，實現網絡的擴展。
全文摘要
本發明公開了一種雙餘度光纖CAN總線組網方法，其特徵在於將具有n個非級聯光口和一個級聯光口的兩臺A、B雙餘度網絡的光纖CAN總線集線器，通過2n根單光纖與n個具有C、D兩個通道(每個通道由1個收/發一體化光模塊和1片CAN控制器構成)的雙餘度CAN總線光節點相連，從而構成雙餘度的光纖CAN總線網絡。本發明提高了網絡信息傳輸的速度或負載能力，具有可靠的防插錯功能，簡化了網絡構型，便於總線網絡的安裝和維護，並提高了系統組網的靈活性、可靠性和安全性。
文檔編號H04J14/02GK101834674SQ20101013584
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月31日 優先權日2010年3月31日
發明者丁洪林, 尚利宏, 魏豐 申請人:中國航空工業集團公司西安飛機設計研究所;華中科技大學;北京航空航天大學