专利名称：光纤can总线集线器及其组网方法
光纤CAN总线集线器及其组网方法技术领域
本发明属于CAN总线网络，特别是涉及一种传输介质为光纤的CAN总线集线器和 基于该集线器的将光纤CAN节点和双绞线CAN总线子网连接在一起的广域高速组网方法。
背景技术：
CAN (Control Area Network)总线是一种采用无破坏性位竞争机制实现串行多主通信的现场总线网络。CAN总线具有抗干扰能力强、报文短、实时性好和组网成本低等 优点。特别适合于环境恶劣，电磁辐射大，对可靠性要求高的工业自动化现场和汽车部 件控制等领域。CAN总线的最常用传输介质是双绞线，在这种介质上可实现的最高速率 为1Mbps。实际使用时，双绞线CAN总线的可用通信速率低于1Mbps。造成通信速率 下降的原因主要有以下几个(1)总线上接入的节点过多，造成总线参数失配；(2)节点 上加装的过压过流保护电路造成总线参数失配；( 节点的地域分布过大，太长电缆的 分布参数造成总线参数失配。
当总线的工作环境过于恶劣时，如节点间的共模电位差超出物理层收发器件的 最大值时，总线将不能正常工作。因此研究采用光纤作为传输介质，利用其传输速率高 和抗干扰能力强等优点，研究其组网方式，解决CAN总线的大容量，高速率和远距离组 网问题具有十分重要的意义。
双绞线CAN总线网络是由各个节点中的CAN控制器通过CAN收发器连接到双 绞线上构成。当多个节点竞争总线时，某一节点发出的“隐性”或“显性”位信号， 与其它节点发送的信号在总线上实现逻辑“线与”，并将结果送回到发送节点和各个接 收节点实现无破坏性位竞争。由于双绞线并不限制信号的传输方向，出现在总线上的每 一位数据只要能在规定的时间内被总线上的所有节点(包括发送节点)正确接收，通信就 可正常进行。
光纤是一种单向传输光信号的介质，目前还未出现一种能实现当一个或多个节 点发出(或不发出)光信号时，光信号可以实现“线与”叠加，使所有节点均能收到叠加 后的光信号的光收发器件。故光纤并不能直接用于CAN总线组网。采用光纤组网时， 一般是保留原有的CAN控制器，舍去CAN收发器和双绞线，对网络物理层进行重新设 计。光纤物理层如何与传统的双绞线物理层CAN网络相连也是需要解决的问题。
目前，关于光纤CAN总线组网已提出了几种实施方案。其中(1)环形光纤 CAN总线组网方案允许接入环内的节点(只能是光纤节点)的个数非常有限，并且随着 接入节点个数的增加，通信速率急剧下降；(2)光纤CAN总线自愈环网方案也存在类似 的问题；( 双星光纤CAN总线方案允许接入的节点较多，但和前两种方案一样都存在 着信号传输环路自激造成网络堵塞和不便于与双绞线CAN总线子网接口的问题。发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种光纤CAN总线集线器及其组网方法。
本发明的技术方案是
提供一种光纤CAN总线集线器的组网方法，其特征在于将具有η个光口和一 个本地双绞线电口扩展电路的光纤CAN总线集线器及其与另外n-1个光节点，本地双绞 线子网，远端电口扩展装置和远端双绞线子网连接通信而构成的网络。
例如图1所示的具有η个光口和一个本地双绞线电口扩展电路的光纤CAN总线 集线器1及其与各个光节点(包括光节点2)，本地双绞线子网4和远端双绞线子网7的组 网方法。
集线器1上的每个光口都有一对光电转换模块PIN和电光转换模块LED。以1# 光口为例，PIN12和LED13通过光纤对3分别与光节点2中的LED23和PIN22相连。 集线器1的本地电口扩展电路14可通过两对双绞线与本地双绞线子网4相连。每个光口 (以n#光口为例说明)也可以通过长光纤对5与位于远方的远端电口扩展装置6相连后， 再通过两对双绞线连接到远端双绞线子网7上。
所述的光节点2如图1所示，包括一个CAN总线控制器21，其输入脚RXD接 PIN22的输出端，其输出脚TXD接LED23的输入端。
提供的一种光纤CAN总线集线器1的原理框图如图2所示，集线器1内置一个复 杂可编程器件CPLD11、构成η个光口的η个光电转换模块PIN、η个电光转换模块LED 和本地电口扩展电路14。η个PIN的输出接CPLDll的输入RX⑴...RX(η)；本地电口 扩展电路14的输出接CPLDll的输入脚RX(n+l)。CPLDll的输出TX(I)...TX (η)接各 个LED的输入；输出TX(n+l)接本地电口扩展电路14的输入。
所述的本地电口扩展电路14如图2所示，它包括CAN收发器143、144、光隔 141和142。收发器143的总线引脚CANHl和CANL1，收发器144的总线引脚CANH2 和CANL2通过两对双绞线分别与本地双绞线子网4中的双绞线41和双绞线42相连。收 发器143的输入脚TXDl接高电平“1” ；输出脚RXDl接光隔141的输入脚，光隔141 的输出接CPLDll的输入脚RX(n+l)。收发器144的输出脚RXD2悬空；输入脚TXD2 接光隔142的输出脚，光隔142的输入接CPLDll的输出脚TX(n+l)。
所述的本地双绞线子网4如图3所示，它包括节点43和其它多个电口 CAN节 点，两对双绞线41和42和四个120 Ω终端电阻。以电节点43为例，它包括了一个CAN 控制器435，两个CAN收发器431和432，两个光隔433和434。收发器431的输入脚 TXDl通过光隔433接到CAN控制器435的输出脚TXD上，输出脚RXDl悬空，CAN 总线脚CANH1，CANLl接双绞线41上。收发器432的输出脚RXD2通过光隔434接到 CAN控制器435的输入脚RXD上，输入脚TXD2接高电平“1”，CAN总线脚CANH2， CANL2接双绞线42上。双绞线41和42分别与两个120 Ω终端电阻相连。其它电节点 接入双绞线41和42的方法相同。
所述的远端电口扩展装置6如图4所示，它包括CAN收发器63和64，光电转 换模块61和电光转换模块62。收发器64的输入脚TXD2通过PIN61和长光纤对5相 连，输出脚RXD2悬空，CAN总线脚CANH2，CANL2接双绞线72上。收发器63的输 出脚RXDl通过LED62和长光纤对5相连，输入脚TXDl接高电平“ 1”，CAN总线脚 CANHl, CANLl接双绞线71上。
所述的远端双绞线子网7如图4所示，它与本地双绞线子网的电路结构和连接方 法完全相同。
本发明还提出了一种光纤集线器的级联组网方法如图6所示，它由具有η个光口 的工作在主方式的主集线器81和具有η个光口的工作在从方式的从集线器82级联构成。 主集线器81的每一个光口均可接光节点或从集线器，而从集线器82只有一个光口可接主 集线器其它光口接光节点。例如，主集线器81的11#光口通过光纤对85与从集线器82 的1#光口相连。主集线器81和从集线器82的其它光口分别接η-1个光节点并分别和一 个本地双绞线CAN子网83和84相连。
本发明的技术效果体现在
1、采用可编程逻辑器件CPLD实现“线与”逻辑的光纤CAN总线集线器通过 光纤对将多个光CAN节点连接在一起，可实现完全符合CAN总线(物理层以上)规范的 高速CAN网络。
2、采用收发分离的两套CAN收发器和两对双绞线解决了以往光纤网络存在的 信号传输环路产生自激，阻塞通信问题。
3、采用光纤CAN总线集线器、长光纤对、远端电口扩展装置和集线器的级联 将多个光节点、本地双绞线CAN总线子网和远方双绞线CAN总线子网连接在一起，实现 完全符合CAN总线规范的广域CAN总线高速网络。
图1基于光纤CAN总线集线器的组网图2光纤CAN总线集线器原理框图3本地双绞线CAN总线子网原理框图4远端电口扩展装置原理框图和远端双绞线CAN总线子网图5 PCA82C250 CAN总线收发器内部电路框图6光纤CAN总线集线器的级联示意图；具体实施方式
下面结合附图和实例详细说明本发明。
在图1所示的由光节点，本地电节点和远端电节点组成的广域CAN总线网络 中，节点发出的“隐性”位和“显性”位在电路上分别表现为高电平和低电平。在光 纤介质中传输时，要设计成有光传输对应“显性”位，无光传输(或不连接光纤时)对 应“隐性”位。
图2所示的集线器1工作在主方式，其中的可编程逻辑器件CPLDll中的逻辑按 如下n+1个方程式组设计
TX(I)，TX(2),…，TX(η)，TX(n+1)=
RX(l)&RX(2)&...&RX(n)&RX(n+l) (1)
其含义是将输入到CPLDll中的n+1个信号RX(I)，RX⑵...RX(n)，RX(n+1) 的信号全部相“与”后，再送回n+1个输出TX(I)，TX(2)...TX(n), ΤΧ(η+1)。采用CPLD逻辑“与”实现了双绞线的“线与”功能。当集线器上第i个光口悬空未用时，对应的PIN无光信号输入，CPLDll的输入RX(i) = 1，为“隐性”电平，故不会影响 方程式组(1)的“与”效果。
在图3所示的本地双绞线CAN总线子网4中，每个节点都采用收发分离的两套 CAN收发器和两对双绞线。现以电节点43为例说明电节点和光节点的互连关系。CAN 控制器435从TXD脚发出的位信号(“隐性”位或“显性”位)经过光隔433，CAN 收发器431到达发送双绞线41，先与本子网中其它节点发出的信号“线与”后，再经过 CAN收发器143，光隔141从RX(n+l)脚进入CPLD11，按方程式组(1)与其它光节点 的位信号相“与”后，从TX(n+l)输出，经过光隔142，CAN收发器144到达接收双绞 线42。该位信号经CAN收发器432，光隔434回到CAN接收器435的RXD输入脚； 该位信号也同时被子网中的其它节点接收。
同样，在图4所示的远端双绞线CAN总线子网7中，子网内各个电节点发出的 位信号先在发送双绞线71上实现了 “线与”后，再经过远端电口扩展装置6和长光纤对 5耦合从RX(η)脚进入CPLDl 1，与其它信号相“与”后从TX(η)输出，再经过远端电 口扩展装置6和长光纤对5耦合到达接收双绞线72，被子网中所有节点接收。
由上述分析可知，无论是光节点还是电节点从物理层发出的“隐性”位或“显 性”位信号全部在CPLDll中进行“与”逻辑运算后，发回各个节点，符合CAN总线标 准对物理层信号传输特性的要求，故可保证网络中各个节点实现CAN总线特有的多主， 无破坏性位竞争方式的通信。
当图2所示的本地电口扩展电路14未接本地双绞线子网4时，CAN收发器143 的输出RXDl为“隐性”高电平，RX(n+1)脚输入集线器的CPLDll中参加“与”运 算，故也不会影响方程式组(1)的“与”效果。
电口中采用两套CAN总线收发器和两对双绞线的目的就是为了消除信号传输环 路，避免产生自激阻塞通信。现以图2中的本地电口扩展电路14为例加以说明。图5 是CAN总线收发器PCA82C250的内部结构图，可以看出收发器具有自发自收功能，若只 采用一个CAN收发器143或144，则CPLDll从TX(n+1)发出的信号，通过光隔142， CAN 收发器 144 或 143，光隔 141 从 RX(n+1)又回到 CPLDl 1。TX(n+1)禾Π RX(n+1) 出现在方程式组(1)的两端，故产生了信号环路。
图2所示，采用了双CAN收发器143和144和两对双绞线后可以解决这个问题。 若只采用一对双绞线，仍然会形成信号环路。采用了两对双绞线，则各个电节点中必须 采用两套独立收发的CAN总线收发器。
图6所示的级联方式中，主集线器81工作在主方式，其中的CPLD仍然按n+1 个方程式组(1)设计实现。从集线器82工作在从方式，其中的CPLD按下列单个方程式 (2)和η个方程式组C3)设计实现。
TX(I) = RX(2)&...&RX(n)&RX(n+l) (2)
TX(2),…，TX(η)，TX(n+1) =RX(I) (3)
由于1#光口是从集线器82向上的级联口，上述方程式的其含义是将输入到从集 线器82中的η个信号RX⑵...RXCn)，RX(n+1)(不包括RX(I))全部相“与”后，通 过TX(I)送入主集线器81，与81中的所有信号再相“与”后从RX(I)回到从集线器82 中，再转发至η个输出TX(2)...TXCn)，TX(n+1)上。采用这种设计的目的是为了避免主、从集线器间出现信号传输环路。
只要主、从集线器的逻辑按(1)、(2)和(3)设计实现，集线器的级联可以有很 多级。随着级联数的增加，可接入的节点数很大，但信号传输的延时增加，可实现的最 高CAN总线速率随之下降。
按此方法组成的广域CAN总线网络，各个由电节点构成的子网络规模都不要太 大，故不存在总线节点过多、线缆过长造成通信速率下降问题，故网络的最高通信速率 基本上只受限于各个器件的传输延时和信号在长光纤对中的延时。这个最高速率远高于 采用全双绞线构成的广域CAN总线网络的最高速率。
所述的光纤对3和长光纤对5等可采用单模或多模光纤。
所述的光电转换模块PIN12，PIN22, PINl5和PIN61等可采用任何一款通信速 率符合要求的转换模块，如HP公司的HFBR1412。
所述的电光转换模块LED13，LED 123, LED116和LED162等可采用任何一款通信速率符合要求的转换模块，如HP公司的HFBR-1414。
所述的可编程逻辑器件CPLDll采用任何一个公司生产的具有足够逻辑资源的 CPLD,如XC9572。
所述的CAN总线控制器21，435和731等采用任何一款符合CAN总线规范的芯 片，如SJAlOOOo
所述的CAN总线收发器143，144，341，342, 7；34和735等采用任何一款符合 CAN总线规范的芯片，如PCA82C250。
所述的光电隔离器141，142，433，434，732和733等采用任何一款传输延时足 够小的光隔芯片，如6N137。
权利要求
1.光纤CAN总线集线器的组网方法，其特征在于将具有η个光口和一个本地双绞 线电口扩展电路的光纤CAN总线的主集线器及主集线器与η个光节点或η个从集线器或 η个远端电口扩展装置连接的η个双绞线CAN子网和1个本地双绞线CAN子网连接而构 成网络。
2.如权利要求1所述的光纤CAN总线集线器的组网方法，其特征在于所述集线器 上的每个光口都有一对光电转换模块PIN和电光转换模块LED ；集线器的本地电口扩展 电路通过两对双绞线与本地双绞线子网相连；所述每一光口也可以通过长光纤对与位于 远方的远端电口扩展装置相连后，再通过两对双绞线连接到远端双绞线子网上。
3.如权利要求1或2所述的光纤CAN总线集线器的组网方法，其特征在于所述的 光节点，包括一个CAN总线控制器，CAN总线控制器输入脚RXD接相关联的光电转换 模块PIN的输出端，CAN总线控制器输出脚TXD接相关联的电光转换模块LED的输入 端。
4.一种光纤CAN总线集线器，其特征在于它内置一个复杂可编程器件CPLDl 1、 构成η个光口的η个光电转换模块PIN、η个电光转换模块LED和本地电口扩展电路。η 个光电转换模块PIN的输出端接CPLDll的输入脚RX⑴…RX(η)；本地电口扩展电路 14的输出端接CPLDll的输入脚RX(n+l)，CPLDll的输出脚TX(I)…TX(η)接各个电 光转换模块LED的输入端；CPLDll的输出脚TX(n+l)接本地电口扩展电路的输入端。
5.如权利要求1所述的光纤CAN总线集线器的组网方法，其特征在于所述的本地 电口扩展电路，它包括分置的两个CAN收发器和相对应的两个光隔相连；。
6.如权利要求1所述的光纤CAN总线集线器的组网方法，其特征在于所述的远端 电口扩展装置，它包括两个CAN收发器，光电转换模块PIN和电光转换模块LED，其中 一个收发器的输入脚通过光电转换模块和长光纤对相连，收发器的输出脚悬空，CAN总 线的两个脚接双绞线上。另一收发器的输出脚通过电光转换模块和长光纤对相连，另一 收发器的输入脚接高电平“1”，CAN总线的两个脚接另一双绞线上。
7.如权利要求1所述的光纤CAN总线集线器的组网方法，其特征在于所述的主集 线器通过光纤对与从集线器相连，从集线器与从集线器相连而构成网络。
全文摘要
光纤CAN总线集线器的组网方法，将具有n个光口和一个本地双绞线电口扩展电路的光纤CAN总线的主集线器及主集线器与n个光节点或n个从集线器或n个远端电口扩展装置连接的n个双绞线CAN子网和1个本地双绞线CAN子网连接而构成网络，它采用可编程逻辑器件CPLD实现“线与”功能的带有若干个光口和一个双绞线电口扩展电路的光纤CAN总线集线器及采用双CAN收发器和两对双绞线将信号收发分离，避免信号传输环路引起自激阻塞通信；采用光纤CAN总线集线器，光纤对和远方电口扩展装置将光节点，本地双绞线CAN总线子网和远方双绞线CAN总线子网连接在一起，构成高网速广域组网方案。
文档编号H04B10/20GK102026050SQ20091027215
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者金波, 魏丰 申请人:华中科技大学, 湖北天瑞电子有限公司