一種光纖can總線自愈環網接口裝置的製作方法

2023-06-03 13:50:31 1

專利名稱：一種光纖can總線自愈環網接口裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種光纖CAN總線的接口裝置，特別是一種光纖CAN總線環網的接口裝置，具體地是一種光纖CAN總線自愈環網接口裝置。
背景技術：
CAN(Controller Area Network)總線是德國Bosch公司80年代初為解決汽車中眾多數據交換而開發的一種串行數據通信協議。由於其卓越的特性，CAN總線成為目前公認的幾種最有前途的現場總線之一。CAN總線的傳輸介質可以是雙絞線、光纖和同軸電纜。當工作環境特別複雜時，為提高CAN網的抗幹擾性能力和性能，採用光纖作傳輸介質。光纖CAN網作為一種工業底層控制區域網，其拓撲結構與常用區域網一樣，基本拓撲結構有總線形、環形和星形。在光纖CAN單環網絡中，節點或鏈路的故障可能造成網絡的癱瘓。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是為提高光纖CAN環網的生存性，提供一種具有自愈功能的光纖CAN總線自愈環網接口裝置，以克服上述的不足。
為了實現上述目的，本發明由多個CAN控制器構成光纖環網，其特點是在每個CAN控制器與光纖環路之間安置一個基於可編程邏輯器件(CPLD)的光纖CAN自愈環網接口電路；上述光纖CAN自愈環網接口電路由一片Altera公司出產的複雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發送器LEDR、LEDL，兩個光接收器PINR、PINL，一個有源石英晶體振蕩器PXO-660構成，其中CPLD與CAN控制器收發端RX和TX連接，CPLD還通過光電轉換模塊PIN、LED與光纖環路相連接，有源石英晶體振蕩器與CPLD的clk0端相連接；上述光纖CAN自愈環網接口電路上還連接有網絡狀態發光二極體D_sr、D_sl和接收狀態發光二極體D_rx。
本發明的功能是(1)當光纖雙環通信正常時，各發送器選擇對側數據發送。(2)當單根光纖故障時，下遊節點接口電路實現環回，下遊節點光發送器選擇同側光接收器數據轉發。(3)當任意節點間兩根光纖故障時，則與光纖切斷點相連的兩個節點執行環回功能。兩節點光發送器均選擇同側光接收器數據轉發。這種自愈功能保證在故障情況下，仍能維持環網的連續性。故障排除後，倒換開關自動返回原來位置。(4)實現節點CAN控制器數據選擇接收，其原則為對於各節點接收的順、逆時針兩通道數據，選擇優先到達的通道數據接收。(5)實現節點數據選擇發送，其原則為對於CAN網絡中的主節點(發送節點)，選擇本節點CAN控制器發送端(TX)的數據發送，可消除環形光纖CAN總線網絡的自激現象，保證環網不被堵塞；對於CAN網絡中的從節點(接收節點)，網絡工作正常時，選擇對側數據發送；對於CAN網絡中的從節點(接收節點)，網絡中對側光纖通道故障，則選擇同側數據發送。(6)判別各通道幀起始和幀結束，鑑別總線是否空閒，網絡是否故障。如當判斷左側光接收器PINL有數據幀正在傳送時，產生左側發送數據標誌flag_l和網絡通信狀態標誌sync_l，分別表示總線忙和網絡工作正常。
本發明實現光纖CAN總線自愈功能，使用CPLD的自愈控制接口，可組建光纖CAN總線自愈環網，它將提高光纖CAN總線網絡的生存性。接口電路單片化，將大大簡化電路、提高了電路的可靠性。由於使用CPLD器件，將為接口電路的修改、調試和更新換代提供了方便。


圖1為光纖CAN總線自愈環網結構圖。
圖2為自愈工作策略示意圖。
圖3為CPLD自愈控制接口裝置的I/O口示意圖。
圖4為基於CPLD環網自愈控制接口裝置結構框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的描述，但下述實施例不應理解為對本發明的限制。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是實現上述功能控制環網自愈接口電路的選用美國Altera公司CPLD器件EPM7128SLC84-15，用MAX+plusII開發軟體進行設計。CPLD自愈控制接口單元由四部分組成分頻器、中心狀態機、發送數據選擇器、接收數據選擇器組成。採用CPLD與節點CAN控制器收發端RX和TX連接，CPLD同時通過PIN和LED與光纖環路相連接。整個自愈控制接口裝置時鐘由有源石英晶體振蕩器PXO-660提供，其振蕩頻率為20MHz。
如圖1為光纖CAN總線自愈環網結構圖，該網絡有兩條光纖環路——順時針環和逆時針環，各節點CAN控制器通過自愈控制接口與雙環光纖網相連，自愈控制接口由Altera公司出產的複雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發送器LEDR、LEDL，兩個光接收器PINR、PINL組成。
如圖2所示，光纖CAN自愈環網控制接口裝置的自愈策略是(1)當光纖雙環通信正常時，如圖2(a)所示，各節點右端光發送器LEDR傳送左端光接收器PINL的數據，信號順時針傳送；同理LEDL傳送PINR的數據，信號逆時針傳送，即發送器選擇對側數據轉發。(2)當單根光纖故障時，如圖2(b)，下遊C節點自愈控制接口實現環回，由於左側光接收器PINL無信號，右端光發送器LEDR選擇同側光接收器PINR數據轉發。(3)當任意節點間兩根光纖故障時，如圖2(c)，如BC節點間光纖被切斷時；則B、C兩個與光纖切斷點相連的兩個節點自愈控制接口執行環回功能；此時，從A到C的信號AC則先經順時針環到B，再經逆時針環過A、D到達C；而信號CA則仍經順時針環傳輸；在故障情況下，自愈控制接口保證光纖CAN環網的連續性；故障排除後，倒換開關自動返回原來位置。
如圖3所示，自愈控制接口裝置的I/O口的連接關係為CPLD輸入輸出引腳pin_l、led_l、led_r、pin_r分別與光電轉換模塊PINL、LEDL、LEDR、PINR相連；CPLD的輸出輸入引腳txd、rxd分別與CAN控制器的數據發送端TX、接收端RX相連；CPLD的輸出引腳flag_txd＝1代表本節點CAN控制器TX0正在發送數據幀；輸出引腳flag_l＝1代表左側通道正在發送數據幀；輸出引腳flag_r＝1代表右側通道正在發送數據幀。輸出引腳sync_l為左側網絡通信狀態標誌，輸出引腳sync_r為右側網絡通信狀態標誌。當左通道正常時，輸出引腳sync_l＝「1」，驅動網絡狀態發光二極體D_sl亮；當右通道正常時，輸出引腳sync_r＝「1」，驅動網絡狀態發光二極體D_sr亮；若網絡狀態發光二極體D_sr或D_sl滅，表示網絡對應光纖通道出了故障。當本節點CAN控制器選擇左通道數據接收時，接收狀態標誌引腳rx_l/r為高電平，當本節點CAN控制器選擇右通道數據接收時，接收狀態標誌引腳rx_l/r為低電平。輸入引腳reset為復位端，低電平有效；clk0為時鐘輸入引腳，該引腳與有源晶振輸出端相連，有源晶振的時鐘頻率為20MHz。
如圖4所示，控制環網自愈控制接口裝置中的CPLD由分頻器、中心狀態機、發送數據選擇器、接收數據選擇器四個模塊組成。
分頻器的功能為將CPLD輸入20MHz時鐘頻率變換為1MHz時鐘頻率。這是因為在光纖CAN自愈環網中，各節點CAN控制器和CPLD接口採用獨立的工作時鐘。為使狀態機產生發送數據狀態flag轉變、兩個數據選擇器切換與CAN控制器數據傳送同步，應正確選擇狀態機的時鐘。由於CAN網數據傳送波特率是125Kbit/s，狀態機時鐘rxclk速率設計為數據傳送波特率的8倍即1M。這樣不但實現網絡數據傳送的同步，還能在一個位周期中對數據多次讀取，以提高網絡的抗幹擾能力。
中心狀態機功能是(1)檢測CAN數據幀的幀起始和幀結束，產生相應發送數據標誌信號flag_txd、flag_r和flag_l。依據CAN 2.0B協議，CAN網絡數據幀由7個不同的位場組成即幀起始，仲裁場，控制場，數據場，CRC場，應答場，幀結束。數據場長度可為0-8個字節。幀起始位是一個顯性位低電平『0』；幀結束由7個隱性位『1'組成的序列。(2)產生網絡通信狀態標誌sync_r和sync_l。中心狀態機由三個狀態機組成本節點CAN控制器狀態機、左通道狀態機和右通道狀態機。它們分別判別各通道(TX、PIN_L和PIN_R)是否有數據傳送。下面各處狀態機的解釋均以本節點CAN控制器狀態機為例。
在各狀態機中，當總線空閒時，狀態機處於空閒態idle，若rxclk上沿到來，檢測到txd＝0時，狀態機將發送數據標誌置位flag_txd＝「1」；並在rxclk第五上沿到來時，對txd數據再次讀取，若txd＝「0」條件仍成立，表示真實的幀起始到來；否則flag_txd＝「0」，同時狀態機轉向空閒態idle，等待幀起始的到來。當真實的幀起始到來後，rxclk(1M)每過8個時鐘周期，對CAN總線上的數據位進行檢測，保證每次檢測在數據位(位周期)中央。當連續7次對txd檢測到「1」，表示真實的「幀結束」到來，發送數據標誌復位flag_txd＝「0」，等待下一次幀起始的到來。否則狀態機處於幀結束判斷狀態。
網絡通信狀態sync_r、sync_l時進行環網自愈的重要依據。如上所述，當左右通道發送數據狀態標誌flag＝「1」時，各通道網絡通信狀態sync＝「1」，網絡狀態發光二極體D_sr、D_sl亮；當幀結束到來flag＝「0」時，啟動網絡通信狀態計數器count，其時鐘為rxclk＝1MHz，當計數器為30000(30ms)時，sync＝「0」，網絡狀態發光二極體D_sr、D_sl滅，表示持續檢測不到數據幀，網絡故障。如果在30ms內能檢測到數據幀起始(flag置位)，網絡通信狀態標誌持續sync＝「1」。計數器count滿值為估算的幀間最短時間間隔。
發送數據選擇器和接收數據選擇器的功能是實現鏈路搭建(即通道選擇)。為使鏈路搭建時間儘可能短，使用最高頻率時鐘(20MHz)控制兩個數據選擇器。
在發送數據選擇器中，輸入數據通道為3路txd、pin_l和pin_r。各通道數據具有不同優先級。優先級設置為當本節點發送數據(txd＝「0」或flag_txd＝「1」)，光纖雙環中發送該TX端的數據，即led_r＝txd，led_l＝txd。若本節點不發送數據，則依據sync_r和sync_l選擇發送數據，當左右通道均正常時，選擇對側數據發送，led_r＝pin_l，led_l＝pin_r；如果某通道故障，接收不到對側數據，則選擇本側數據發送，led_l＝pin_l，led_r＝pin_r。據此不僅實現了網絡自愈，也消除了環網阻塞問題。
在接收數據選擇器中，設定左通道為首選接收通道；當左通道數據未到時flag_l＝「0」或左通道故障時，不需人為幹預自動選擇右通道接收。據此實現接收優化(選擇優先到達通道數據接收)，以及光纖CAN總線雙環網的自愈功能。當接收節點CAN控制器選擇左通道接收時，接收狀態發光二極體D_rx發光，否則D_rx滅。
本發明經測試證實，光纖CAN自愈環網正常時，各通道均有數據傳送，網絡狀態發光二極體D_sr、D_sl持續發光；當設置單通道故障時，下遊節點自愈控制接口裝置內部實現環回，選擇同側數據轉發；當設置雙通道故障時，與故障點相連兩節點的自愈控制接口裝置均實現環回。由CPLD自愈控制接口裝置構成的光纖CAN自愈環網具有很高的生存性。
本說明書中未作詳細描述的內容為本專業領域技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種光纖CAN總線自愈環網接口裝置，由多個CAN控制器構成光纖環網，其特徵在於在每個CAN控制器與光纖環路之間安置一個基於可編程邏輯器件(CPLD)的光纖CAN自愈環網接口裝置。
2.如權利要求1所述的光纖CAN總線自愈環網接口裝置，其特徵在於光纖CAN自愈環網接口裝置由一片Altera公司出產的複雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發送器LEDR、LEDL，兩個光接收器PINR、PINL，一個有源石英晶體振蕩器PXO-660構成，其中CPLD與CAN控制器連接，CPLD還通過光電轉換模塊PIN、LED與光纖環路相連接，有源石英晶體振蕩器與CPLD的clk0端相連接。
3.如權利要求1所述的光纖CAN總線自愈環網接口裝置，其特徵在於光纖CAN自愈環網接口裝置中還有網絡狀態發光二極體D_sr、D_sl和接收狀態發光二極體D_rx。
4.如權利要求1或2所述的光纖CAN自愈環網接口裝置，其特徵在於CPLD中包括分頻器、中心狀態機、數據發送選擇器、數據接收選擇器四個模塊，其中分頻器的輸入端與有源石英晶體振蕩器連接，其輸出給中心狀態機提供振蕩源；中心狀態機接收CAN控制器的txd信號、並通過光電轉換模塊PIN接收光纖網絡的信號，發送信號給數據發送選擇器和數據接收選擇器；數據發送選擇器還通過光電轉換模塊PIN接收光纖網絡的信號，輸出信號給電光轉換模塊LED；數據接收選擇器還通過光電轉換模塊PIN接收光纖網絡的信號，其輸出與CAN控制器的rxd端相連接。
5.如權利要求4所述的光纖CAN自愈環網接口裝置，其特徵在於利用分頻器將CPLD輸入20MHz時鐘頻率變換為1MHz時鐘頻率，供中心狀態機使用。
6.如權利要求4所述的光纖CAN自愈環網接口裝置，其特徵在於中心狀態機模塊實現CAN網絡數據幀「幀起始」和「幀結束」判別，以次實現3通道發送數據標誌flag_txd、flag_r和flag_l的復位和置位，並產生網絡通信狀態信號sync_r、sync_l，它們是數據選擇器進行環網自愈的重要依據。
7.如權利要求4所述的光纖CAN自愈環網接口裝置，其特徵在於在發送數據選擇器中，依據flag_txd、sync_r和sync_l選擇發送數據，當flag_txd＝「1」時，選擇txd端的數據發送；當flag_txd＝「1」、sync_r和sync_l＝「1」時，選擇對側數據發送，led_r＝pin_l，led_l＝pin_r；如果某通道故障，接收不到對側數據，則選擇本側數據發送，led_l＝pin_l，led_r＝pin_r。據此實現了網絡自愈和環網阻塞問題。
8.如權利要求4所述的光纖CAN自愈環網接口裝置，其特徵在於在接收數據選擇器中，依據flag_l和flag_r選擇接收通道；選flag_l和flag_r中先為零者的通道進行接收，據此實現接收優化(選擇優先到達通道數據接收)，以及光纖CAN總線雙環網的自愈功能。當接收節點CAN控制器選擇左通道接收時，接收狀態發光二極體D_rx發光，否則D_rx滅。
全文摘要
本發明涉及一種光纖CAN總線自愈環網接口裝置，它包括一片Altera公司出產的複雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發送器LEDR、LEDL，兩個光接收器PINR、PINL，一個有源石英晶體振蕩器PXO－660，網絡狀態發光二極體D_sr、D_sl，接收狀態發光二極體D_rx組成，其中CPLD與CAN控制器連接，CPLD還通過光電轉換模塊PIN、LED與光纖環路相連接。利用本發明和相關光纖CAN網絡技術可組建光纖CAN自愈環網。本發明顯著提高了光纖CAN環網的生存性。本發明具有結構簡單、可靠性高、便於修改和維護的特點。
文檔編號B60R16/02GK1557657SQ20041001266
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月15日 優先權日2004年1月15日
發明者吳友宇, 程昌銀, 楊菊芳, 李斌, 秦神祖 申請人:武漢理工大學