一種環形光纖can總線網絡的製作方法
2023-07-16 01:33:16
專利名稱：一種環形光纖can總線網絡的製作方法
技術領域：
本發明屬於CAN總線網絡，特別是一種傳輸介質基於光纖的環形CAN總線網絡。
背景技術：
CAN(Control Area Network)總線是一種串行多主站控制器局域總線，具有很好的網絡安全性、通信可靠性和實時性，網絡成本低。特別適用於汽車和各種工業控制領域。該網絡可工作在環境惡劣、電磁輻射強、振動大的工業環境。其傳輸介質可以採用雙絞線，同軸電纜或光纖，數據傳輸速率可達1Mbits/s。目前雙絞線的CAN總線得到廣泛應用，雙絞線CAN總線各項技術已經十分成熟。雙絞線CAN總線常採用CAN收發器如82C250來完成電平轉化，將CAN控制器輸出的邏輯電平轉換成抗幹擾能力較強的差分信號完成報文的發送和接收。雙絞線CAN總線網絡在一定程度上能提高總線的抗幹擾能力。但是當工作環境特別複雜時，其抗幹擾性能力並不十分令人滿意。
在現代通信網中為了解決大容量、高速率、遠距離數據傳輸問題，產生了光纖通信網。與雙絞線和同軸電纜相比，光纖的另一優越性能——強大的抗電磁幹擾能力，引起人們的關注。為進一步提高CAN網絡的性能，採用光纖作傳輸介質十分必要。目前，由於技術難度大，光纖CAN網絡各項技術還未成功開發，故未得到廣泛應用。但若在光纖CAN網絡中使用CAN收發器，將給網絡帶來較大的延時，使網絡的性能變差。
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。由於光傳輸的單向性使得環形網絡結構成為重要組網方案之一。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是設計一種光纖CAN環網接口，並構建一種環形光纖CAN總線網絡。其中光纖環網接口電路功能是支持CAN總線控制器鏈路層通信協議，完成環網中報文的正常發送、接收和轉發功能，同時提高CAN總線抗幹擾能力，減小傳輸延時。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是在環形CAN總線網絡中不使用CAN收發器。
環網接口電路內的互接採用電氣連接，具體連接關係是各節點CAN控制器的輸出TX0連接一個與非門b的輸入端，並通過一個延時模塊a連接與非門b的另一個輸入端，還與一個與門d的輸入端連接；一個或門c輸入端分別連接CAN控制器的輸入RX0和與非門b的輸出端，其輸出端與與門d的另一個輸入端連接；與門d的輸出與電光轉換模塊LED連接；CAN控制器的輸入RX0還連接有光電轉換模塊PIN。
環網中各個CAN節點與環網接口電路之間採用電氣連接；各CAN節點經環網接口電路通過光纖構成環形光纖CAN總線網絡。
發送節點CAN控制器的電光轉換模塊LED與接收節點CAN控制器光電轉換模塊PIN連接；接收節點CAN控制器的電光轉換模塊LED與下遊接收節點CAN控制器光電轉換模塊PIN連接如此循環，最後一個接收節點CAN控制器的電光轉換模塊LED與發送節點CAN控制器的光電轉換模塊PIN連接而形成環網。
為遵守CAN總線控制器在鏈路層的協議，設計一種光纖環網接口。該環網接口功能是對CAN總線上主節點進行報文的發送和接收，但對接收到的報文不轉發，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CAN總線上從節點實現報文的接收以及轉發，使環網中下遊節點能接收上遊節點的報文；對CAN總線應答幀信息進行接收和及時阻塞，保證總線上應答幀信息經過環路傳送給發送節點，實現正常的報文傳輸協議；採用簡單的RC充放電電路構成延時電路，產生比環路傳輸延時稍長的延時信號解決由環網自激現象導致網絡的堵塞問題。
本發明無需使用CAN收發器，直接將CAN控制器經環網接口連接到環形光纖網絡中，不僅減小總線傳輸延時，而且提高了總線抗幹擾能力。採用該光纖環網使得CAN總線網絡的安全性、通信可靠性和實時性都到大大提高。
圖1為本發明實施例網絡結構電路圖，虛線中為環網接口電路原理圖。
圖2為環路中處於發送狀態節點單元各個埠電平時序圖。
圖3為環路中處於接收狀態節點單元各個埠電平時序圖。
圖4為環路中延時電路原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例進一步說明本發明，但該實施例不應理解為對本發明的限制。
如圖1所示，CAN控制器的TX與RX的電平為TTL電平，因而在環形CAN總線網絡中不需要電平轉換，直接採用電光轉換模塊LED和光電轉換模塊PIN進行光纖環網的報文傳輸。採用這種方式無需使用CAN收發器，減少了總線上傳輸延時；同時簡化環網接口電路。採用光纖作為傳輸介質使得整個系統的抗幹擾性更好，整個系統的穩定性得到提高。
如圖2所示，假定在CAN總線網絡中，通過競爭節點1成為網絡的主節點(發送報文)，則此時其它節點均為從節點(接收報文)。TX1表示發送節點CAN控制器的TX端發出的信號；RX1表示發送節點CAN控制器的RX端接收的信號，delay1表示環網傳輸延時，ACK表示總線上接收節點發送的應答信號；a1表示發送節點CAN控制器的TX1端發出信號的延時後的波形，delay2表示了接口電路中延時模塊(delay)延時；b1表示TX1信號和經過延時後信號的與非後的波形，作為或門的一個輸入信號使得在TX1發送一幀信息時c1端總保持高電平，這樣使得本節點的RX1端接收到的信號不再轉發，解決了環網自激現象導致網絡堵塞問題現象。對於接收到的應答信號ACK，在主節點的下遊接收節點將對該信號進行處理。
如圖3所示，RX2端在接收從環路中上遊節點發送出來的數據或者轉發過來的數據，同時也會接收到從上一個節點傳輸過來的應答信號ACKr，對於該信號將會和b2端信號進行或運算而被濾掉不再轉發到下一個接收節點；TX2端時序圖中ACK信號為接收節點發送出來的應答信號，該信號會傳輸到下一個接收節點被下一個接收節點接收但不會再被轉發下去；d2端為發送到下一個環路節點的信號，ACK表示的是該接收節點發送出來的應答信號，而對於從上一個節點發送出來的應答信號ACKr已被接口電路濾掉。對於環網上的其餘每一個節點都按照這樣的時序進行工作，接收環網上一個節點傳輸過來的信號(包括數據信息和應答信號信息)，然後經過接口電路轉發其中的數據信息而濾掉上一個節點傳輸過來的應答信息，同時也會向總線上發送該節點發出的應答信號信息。
如圖4所示，通過上述發送節點與接收節點時序圖的分析，說明了該環形光纖CAN總線網絡的環網接口電路工作方式符合CAN總線鏈路層的傳輸協議，能夠保證整個環路各節點的正常工作。對於該環網接口電路，其中關鍵的一點是怎樣根據總線的傳輸延時來確定延時電路的參數。延時電路的設計有很多方式，不但可用模擬電路實現還可用數字電路實現，在此以RC延時電路為例進行說明。假定環形光纖CAN網中有四個節點。通過測試，經過4個節點的環路延時為130ns，因此在設計延時電路時，該延時要大於環路的傳輸延時，這樣才能達到對相應的數據進行處理，否則會出現毛刺使得總線報文傳輸出錯。
由以上分析，延時電路需滿足如下條件Td＜Δτ＜Ts該不等式中Td表示環路傳輸延時，Δτ為延時電路的延時，Ts為傳輸信號的位周期。針對不同的網絡節點測量出整個環路傳輸延時，根據總線信號的傳輸波特率計算信號傳輸周期，然後確定RC延時電路的延時參數R、C。在實際網絡測試中，若總線波特率設置為125kbit，因此該延時電路延時時間要小於8us，大於環路延時130ns。
以上條件滿足了信號的延時要求，同時由於該RC延時電路具有濾波特性，因此RC在滿足延時要求的同時，儘量不要過大，以免對傳輸的信號濾掉。根據上述條件實際測試中採用R＝3KΩ、C＝82pF網絡性能最佳。
本發明經過測試，完成遵守CAN總線在物理層和鏈路層的協議。能夠完成報文的快速、正確的傳輸，減少了總線延時。在本發明中，針對環網節點數目的不同，根據環路傳輸延時以及總線波特率對RC參數要進行調節。
權利要求
1.一種環形光纖CAN總線網絡，其特徵在於在環形CAN總線網絡中不使用CAN收發器。
2.如權利要求1所述的環形光纖CAN總線網絡，其特徵在於環形CAN總線網絡採用光纖作為傳輸介質。
3.如權利要求1所述的環形光纖CAN總線網絡，其特徵在於環網接口電路內的互接採用電氣連接，具體連接關係是CAN總線網絡中的CAN控制器每個節點的輸出TX0連接一個與非門b的輸入端，並通過一個延時模塊a連接與非門b的另一個輸入端，還與一個與門d的輸入端連接；一個或門c輸入端分別連接CAN控制器的輸入RX0和與非門b的輸出端，其輸出端與與門d的另一個輸入端連接；與門d的輸出與電光轉換模塊LED連接；CAN控制器的輸入RX0還連接有光電轉換模塊PIN；環網中各個CAN節點與環網接口電路之間採用電氣連接。
4.如權利要求1所述的環形光纖CAN總線網絡，其特徵在於各CAN節點經環網接口電路通過光纖構成環形光纖CAN總線網絡，其中發送節點CAN控制器的轉換模塊LED與接收節點CAN控制器光電轉換模塊PIN連接；接收節點CAN控制器的電光轉換模塊LED與下遊接收節點CAN控制器光電轉換模塊PIN連接如此循環，最後一個接收節點CAN控制器的電光轉換模塊LED與發送節點CAN控制器的光電轉換模塊PIN相連而形成環網。
全文摘要
本發明涉及一種環形光纖CAN總線網絡，在環形CAN總線網絡中不使用CAN收發器，環形CAN總線網絡採用光纖作為傳輸介質。在環形光纖CAN網絡上，各CAN節點包括光電轉換模塊和專用於環形光纖CAN網絡的接口。本發明環形光纖CAN總線網絡，能消除環形光纖CAN網絡的堵塞問題，整個光纖CAN網絡通信可靠，電路簡單，抗幹擾性強。從而使得光纖CAN網絡的抗幹擾能力優於目前的雙絞線CAN網絡，滿足惡劣工業現場的需要。
文檔編號H04B10/12GK1540889SQ20031011131
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月31日 優先權日2003年10月31日
發明者吳友寧, 李波, 秦神祖, 梁紅, 楊菊芳 申請人:武漢理工大學