CN101834674A - 双余度光纤can总线组网方法 - Google Patents

双余度光纤can总线组网方法 Download PDF

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魏丰
丁洪林
尚利宏
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Abstract

本发明公开了一种双余度光纤CAN总线组网方法，其特征在于：将具有n个非级联光口和一个级联光口的两台A、B双余度网络的光纤CAN总线集线器，通过2n根单光纤与n个具有C、D两个通道(每个通道由1个收/发一体化光模块和1片CAN控制器构成)的双余度CAN总线光节点相连，从而构成双余度的光纤CAN总线网络。本发明提高了网络信息传输的速度或负载能力，具有可靠的防插错功能，简化了网络构型，便于总线网络的安装和维护，并提高了***组网的灵活性、可靠性和安全性。

Description

双余度光纤CAN总线组网方法
技术领域
本发明属于CAN总线网络技术，特别涉及采用光纤波分复用双向传输信号技术的CAN总线集线器和以该集线器为核心的双余度光纤CAN总线网络组网方法。
背景技术
CAN(Controller Area Network)总线是一种采用非破坏逐位竞争机制实现串行多主通信的现场总线网络，目前所用的CAN总线都是基于金属双绞屏蔽线进行信号传输的，采用金属双绞屏蔽线的CAN总线网络存在以下问题：(1)总线节点过多时，易造成总线参数的失配；(2)节点电路的抗干扰保护措施也会造成总线参数的失配；(3)节点的地域分布过大，电缆的分布参数造成总线参数失配；(4)节点间的共模电位差超出收发器规定特性造成的总线参数失配以及(5)电线存在的电磁干扰等，这些问题将导致CAN总线网络的通信速率下降和可靠性降低。
同时，为了解决诸如航空航天、军用装备等高可靠应用领域的组网问题，单余度一般无法满足要求，多采用多余度总线，至少采用双余度，以提高网络的可靠性。即构建两套完全相同的A、B总线，并在总线上传输完全相同的信息，A、B总线互为冗余备份。
而光纤是一种单向传输光信号的介质，并且具有免电磁干扰的特性。目前，光纤通信一般是采用两根光纤分别发送和接收信号，网络节点中的光发送模块(LED)和光接收模块(PIN)是两个独立功能的器件；光纤模块和光纤之间的连接一般采用光纤连接器来实现。光纤连接器的类型很多，目前常用的类型有：SC、FC和ST等。构成双余度的CAN总线网络时，必须要有可靠的物理措施，来防止双余度总线网络光纤的插错。
在CAN总线的标准中，并不限制网络的物理层采用何种传输介质，即：可以采用普通金属线、金属双绞屏蔽线和光纤等任何介质。但是，无论采用哪种介质，都必须保证CAN总线网络的通信机制，保证网络物理层之上完全符合CAN总线标准的定义，这也是CAN总线标准所具有的灵活性。
目前，关于光纤CAN总线组网已提出了几种实施方案，主要有：环形光纤CAN总线组网、光纤CAN总线自愈环网和一种基于双光纤的CAN集线器组网方案等，但是这些方案中存在着光-电、电-光转换环节多、延时长、总线速率低、节点少和组网不灵活等问题。
发明内容
本发明的目的：用光纤替代CAN网络中的金属双绞线，并在现有的双光纤CAN总线集线器的基础上提出一种基于波分复用双向信号传输技术的新型单光纤CAN总线集线器，以及采用两台这样的集线器构成具有防插错功能的双余度CAN总线网络和双余度CAN总线网络的级联扩展方法。
本发明的技术方案是：本发明在CAN总线网络的物理层保留CAN网络中的CAN控制器，重新设计网络物理层，以收/发一体化的光模块LED/PIN替代CAN收发器，以单光纤替代金属双绞屏蔽线，以收/发不同波长的光波进行信息传输，并保证网络物理层之上完全符合CAN总线标准的定义。
并以此为基础提出一种双余度单根光纤CAN总线集线器的组网方法，将两台具有n个非级联光口和一个级联光口的光纤CAN总线集线器与n个双余度光节点采用2n根单光纤相连，构成双余度的A、B两个完全相同的光纤CAN总线网络。
所述光纤光纤CAN总线集线器内置一个可编程器件CPLD，用于逻辑编程；n+1个收/发一体化光模块LED/PIN用于实现信息的光/电或电/光转换；本集线器的非级联光口与级联光口采用不同类型光纤连接器的组合(文中定义采用FC或SC型)，如1#…n#光模块LED/PIN采用FC或SC型光纤连接器构成n个非级联光口，则第n+1#个光模块LED/PIN必须采用不同的SC或FC型光纤连接器构成级联光口；n+1个光模块中的光-电转换PIN电路的输出接CPLD的输入脚RX(1)…RX(n+1)；n+1个光模块中的电-光转换LED电路的输入接CPLD的输出脚TX(1)…TX(n+1)；光纤CAN总线集线器可工作在主方式或从方式，级联光口端的集线器工作在从方式，非级联光口端的集线器工作在主方式。
所述的n个具有A、B两个通道的双余度光节点，每个通道均包括1个CAN控制器和1个收/发一体化光模块LED/PIN；两个通道的收/发一体化光模块LED/PIN采用不同类型的光纤连接器；且每个通道的收/发一体化光模块与相应网络光纤CAN总线集线器端的收/发一体化光模块LED/PIN也采用不同类型的光纤连接器，如A通道采用SC/FC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN，B通道则采用FC/SC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN；光模块LED/PIN中的光-电转换PIN电路的输出接CAN控制器的输入脚RXD，光模块LED/PIN中的电-光转换LED电路的输入接CAN控制器的输出脚TXD。
所述任意两种光纤连接器类型的收/发一体化光模块均采用任意两种波长的光波收/发信息，如所有FC型光纤连接器收/发一体化光模块中的电-光转换LED电路均采用Tx＝1310nm波长作为发送窗口，光-电转换PIN电路采用Rx＝1550nm波长作为接收窗口；所有的SC型光纤连接器收/发一体化光模块则刚好相反，其中的电-光转换LED电路采用Tx＝1550nm波长作为发送窗口，光-电转换PIN电路采用Rx＝1310nm波长作为接收窗口。
基于光纤CAN总线集线器的双余度单光纤CAN总线网络，具有n个非级联光口和一个级联光口的A总线集线器和B总线集线器与n个具有C、D通道的双余度光节点通过单光纤连接；A总线集线器的n个非级联光口采用FC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN，级联光口则采用SC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN；B总线集线器则刚好相反，n个非级联光口都采用SC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN，级联光口则采用FC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN；A、B总线集线器通过2n根光纤与n个双余度光节点的C通道和D通道分别相连。
所述的2n根光纤如果一端为SC/FC型光纤连接器，则另一端必须为FC/SC型光纤连接器，保证了FC型光纤连接器的光口通过上述单根光纤只能与SC型光纤连接器的光口相连，实现网络连接的防插错功能。
所述的双余度单光纤CAN总线网络可通过集线器的级联进行扩展，A、B光纤CAN集线器对应光口的光模块LED/PIN必须采用不同类型的光纤连接器，从而确保级联与非级联以及A网络与B网络之间的光口不会因为连接器的原因造成接；两台(从方式1#A总线集线器和主方式2#A总线集线器)是具有n+1个光口的同类型A(或B)总线网络的集线器，相对而言，级联光口端的集线器工作在从方式，非级联光口端的集线器工作在主方式；从方式1#A总线集线器的级联光口通过单光纤与主方式2#A总线集线器的#1非级联光口(可任意接入其它的非级联光口)连接；从而将两个总线集线器的局域CAN网络连接成一个更大的网络，进一步的网络扩展与此相同。
本发明的优点和有益效果是：
1、采用基于波分复用双向信息传输技术的收/发一体化光模块和复杂可编程逻辑器件CPLD实现“线与”逻辑的单光纤CAN总线集线器可将多个光CAN节点连接在一起，实现完全符合CAN总线规范的CAN总线网络；
2、采用基于本方案光纤CAN总线集线器进行组网的方法与其它组网方法相比，可以实现本集线器的n+1个光口相当于“并联”，减少了光口“串联”型网络光电转换、电光转换和光纤传输过程中的延时，极大地提高了网络信息传输的速度或负载能力(节点数量)；
3、采用两台单光纤CAN总线集线器构成双余度单光纤CAN总线网络时，针对集线器所在网络的不同，集线器上相同位置的光口选用了不同光纤连接器型号的光模块，从物理上保证了A、B总线网络的光纤不会插错，使***具有了可靠的防插错功能；
4、采用收/发一体化光模块，在一根光纤中用2种波长的光波进行信息传输，减少了光纤和光模块的数量，简化了网络构型，便于总线网络的安装和维护；
5、同类型的集线器级联可实现双余度光纤CAN总线的扩展、扩展后的光纤CAN总线网络仍然具有防插错功能，极大地提高了***组网的灵活性、可靠性和安全性；
6、采用光纤的CAN总线网络具有免电磁干扰能力，极大地提高了CAN总线网络在恶劣电磁环境中的生存力、安全性和可靠性，特别适合航空、航天和军事领域的应用；
7、采用光纤进行信号传输，消除了双绞线传输的固有缺陷，提高了总线的负载能力(节点数量)和通信速率。
附图说明
图1为本发明光纤CAN总线集线器框图；
图2为本发明双余度光纤CAN总线组网结构框图；
图3为本发明单余度光纤CAN总线的级联扩展示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述：
上述光纤CAN总线集线器按图1所示的原理框图实现，光纤CAN总线集线器内置一个可编程器件CPLD，用于逻辑编程。n+1个收/发一体化光模块LED/PIN用于实现信息的光-电或电-光转换。本集线器的非级联光口与级联光口采用不同类型光纤连接器的组合(文中定义采用FC或SC型)，如1#…n#光模块LED/PIN采用FC或SC型光纤连接器构成n个非级联光口，则第n+1#个光模块LED/PIN必须采用不同的SC或FC型光纤连接器构成级联光口；如果构建余度光纤CAN总线集线器，则A、B光纤CAN集线器对应光口的光模块LED/PIN必须采用不同类型的光纤连接器，从而确保级联与非级联以及A网络与B网络之间的光口不会因为连接器的原因造成错接。n+1个光模块中的光/电转换PIN电路的输出接CPLD的输入脚RX(1)…RX(n+1)；n+1个光模块中的电-光转换LED电路的输入接CPLD的输出脚TX(1)…TX(n+1)；光纤CAN总线集线器可工作在主方式或从方式，级联光口端的集线器工作在从方式，非级联光口端的集线器工作在主方式。
所述的n个具有A、B两个通道的双余度光节点如图1所示，每个通道均包括1个CAN控制器和1个收/发一体化光模块LED/PIN，节点处理器等其它部分省略未画出。两个通道的收/发一体化光模块LED/PIN采用不同类型的光纤连接器；且每个通道的收/发一体化光模块与相应网络光纤CAN总线集线器端的收/发一体化光模块LED/PIN也采用不同类型的光纤连接器，如C通道采用SC/FC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN，D通道则采用FC/SC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN；光模块LED/PIN中的光-电转换PIN电路的输出接CAN控制器的输入脚RXD，光模块LED/PIN中的电-光转换LED电路的输入接CAN控制器的输出脚TXD。
图1所示的任意两种光纤连接器类型的收/发一体化光模块均采用任意两种波长的光波收/发信息。为便于描述，本文在图2中定义所有FC型光纤连接器收/发一体化光模块中的电-光转换LED电路均采用Tx＝1310nm波长作为发送窗口，光-电转换PIN电路则采用Rx＝1550nm波长作为接收窗口；所有的SC型光纤连接器收/发一体化光模块则刚好相反，其中的电-光转换LED电路采用Tx＝1550nm波长作为发送窗口，光-电转换PIN电路采用Rx＝1310nm波长作为接收窗口。
基于光纤CAN总线集线器的双余度单光纤CAN总线网络详见图2，具有n个非级联光口和一个级联光口的A总线集线器和B总线集线器与n个具有C、D通道的双余度光节点通过单光纤连接。本图例中A总线集线器的n个非级联光口采用FC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN，级联光口则采用SC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN；B总线集线器则刚好相反，n个非级联光口都采用SC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN，级联光口则采用FC型光纤连接器的收/发一体化的光模块LED/PIN。A、B总线集线器通过2n根光纤与n个双余度光节点的C通道和D通道分别相连。
所述的2n根光纤如果一端为SC/FC型光纤连接器，则另一端必须为FC/SC型光纤连接器，如此设计保证了FC型光纤连接器的光口通过上述单根光纤只能与SC型光纤连接器的光口相连，实现网络连接的防插错功能。
所述的双余度单光纤CAN总线网络可通过集线器的级联进行扩展，图3给出了A总线网络的级联扩展示意图。两台(从方式1#A总线集线器和主方式2#A总线集线器)是具有n+1个光口的同类型A(或B)总线网络的集线器，相对而言，级联光口端的集线器工作在从方式，非级联光口端的集线器工作在主方式；本示意图中从方式1#A总线集线器的级联光口通过单光纤与主方式2#A总线集线器的#1非级联光口(可任意接入其它的非级联光口)连接；从而将两个总线集线器的局域CAN网络连接成一个更大的网络，进一步的网络扩展与此相同。B总线网络的级联扩展与A总线网络的级联方法相同，不再赘述。
以下再对本发明工作原理作进一步说明：
图2所示的双余度光纤CAN总线网络中，节点CAN控制器发出和接收到的“隐性”位和“显性”位在TXD和RXD引脚上分别表现为高电平和低电平。光信号在光纤介质中双向传输时，要设计成有某个窗口波长的光信号传输时对应方向上传输的是“显性”位，无某个窗口波长的光信号传输时对应方向上传输的是“隐性”位。如此设计保证了光纤未接入或因某种原因造成光纤意外断开时，进入集线器的信号总是“隐性”位，不会“阻塞”其它节点的正常通信。
当图1所示的光纤CAN总线集线器工作在主方式时，其中的可编程逻辑器件CPLD中的逻辑按如下n+1个方程式组设计：
TX(1)、TX(2)、…、TX(n)、TX(n+1)＝
RX(1)&RX(2)&…&RX(n)&RX(n+1)    (1)
其含义是将输入到CPLD中的n+1个信号RX(1)，RX(2)…RX(n)，RX(n+1)的信号全部相“与”后，再送回n+1个输出TX(1)，TX(2)…TX(n)，TX(n+1)。采用CPLD逻辑“与”替代双绞线的“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，CPLD11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。
图1所示的1#双余度光节点的A通道CAN控制器发出“显性”或“隐性”位信号时，TXD引脚的相应输出为“低”电平或“高”电平，收/发一体化光模块LED/PIN中的电-光转换LED电路“发出”或“不发出”Ynm的光信号，该光信号通过1#光纤传输到达光纤CAN总线集线器1#光口的收/发一体化光模块LED/PIN，LED/PIN中的光-电转换PIN电路根据是否收到Ynm光信号，输出“低”电平或“高”电平信号并从RX(1)脚送入CPLD中，该信号与其它节点送来的信号“与”逻辑运算后通过TX(1)脚输出发给1#光口LED/PIN中的电-光转换LED电路，并根据TX(1)为“低”电平或“高”电平“发出”或“不发出”Xnm的光信号，该光信号通过1#光纤传输返回到1#双余度光节点的C通道收/发一体化光模块LED/PIN中的光-电转换PIN电路，最后送入1#双余度光节点的C通道CAN控制器的RXD输入脚。
由上述分析可知，网络中各个光节点发出的“隐性”位或“显性”位信号到达集线器，在CPLD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总线特有的多主非破坏逐位竞争方式的通信。
在如图3所示的级联组网应用场合，当图1所示的A总线集线器工作在从方式时，其中的可编程逻辑器件CPLD中的逻辑按下列单个方程式(2)和n个方程式组(3)设计：
TX(n+1)＝RX(1)&…&RX(n)      (2)
TX(1)，…，TX(n)＝RX(n+1)    (3)
上述方程式的其含义是将输入到从集线器中的n个信号RX(1)…RX(n)(不包括RX(n+1))全部相“与”后，通过级联光口的TX(n+1)送入主集线器中与主集线器中的所有其它信号再次相“与”后，再从级联光口的RX(n+1)回到从集线器中，然后从n个输出TX(1)…TX(n)发回各个节点。
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，多级级联时只能有一个集线器工作在主方式，其它集线器均工作在从方式。随着级联数的增加，可接入的节点数增多，但信号传输的延时增加，故可实现的最高CAN总线速率随之下降。
所述的光纤可采用单模或多模光纤。
所述的两种不同光纤连接器型号的收/发一体化光模块可采用FC和SC型光纤连接器，也可采用其它不同型号的组合。
所述的FC型光纤连接器的收/发一体化光模块可采用任何一款发送波长为Xnm(文中定义为1310nm)，接收波长为Ynm(文中定义为1550nm)的传输速率为DC～1、2、3、5或10MHz的基带传输型光纤模块。
所述的SC型光纤连接器的收/发一体化光模块可采用任何一款发送波长为Ynm(文中定义为1550nm)，接收波长为Xnm(文中定义为1310nm)的传输速率为DC～1、2、3、5或10MHz的基带传输型光纤模块。
所述的可编程逻辑器件CPLD可采用任何一个公司生产的具有足够逻辑资源的CPLD或FPGA实现。
所述的CAN总线控制器可采用任何一款符合CAN总线规范的芯片，如：SJA1000。

Claims (6)

1.双余度光纤CAN总线组网方法，其特征在于：将具有n个非级联光口和一个级联光口的两台A、B光纤CAN总线集线器，通过2n根单光纤与n个具有C、D两个通道的双余度CAN总线光节点相连，从而构成双余度的光纤CAN总线网络。
2.如权利要求1所述的双余度光纤CAN总线组网方法，其特征在于：所述光纤CAN总线集线器由n+1个收/发一体化光模块和一片可编程逻辑器件CPLD构成n个非级联光口和一个级联光口；n+1个光模块的光-电转换电路PIN的输出端接CPLD的输入脚RX(1)…RX(n+1)；CPLD的输出脚TX(1)…TX(n+1)接各个光模块中的电-光转换电路LED的输入端；总线集线器可工作在主方式或从方式，采用CPLD的逻辑“与”功能替代双绞线的“线与”功能。
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：所述具有C、D两个通道的CAN总线光节点，每个通道均由1个收/发一体化光模块LED/PIN和1片CAN控制器构成；两个通道的收/发一体化光模块LED/PIN采用不同类型的光纤连接器；且每个通道的收/发一体化光模块LED/PIN与相应网络光纤CAN总线集线器端的收/发一体化光模块LED/PIN也采用不同类型的光纤连接器；光模块LED/PIN中的光-电转换PIN电路的输出接CAN控制器的输入脚RXD，光模块LED/PIN中的电-光转换LED电路的输入接CAN控制器的输出脚TXD。
4.如权利要求1、2或3所述的双余度光纤CAN总线组网方法，其特征在于：所述A、B光纤CAN总线集线器光模块的光纤连接器采用不同类型的组合；两种类型的光模块LED/PIN分别实现信息的光-电或电-光转换，并采用不同波长的光波收/发信号；同一网络光纤CAN总线集线器的非级联光口与级联光口采用不同类型的光纤连接器；双余度A、B光纤CAN总线集线器上对应光口的收/发一体化光模块采用不同类型的光纤连接器。
5.如权利要求1、2、3或4所述的双余度光纤CAN总线组网方法，其特征在于：所述2n根光纤两端采取不同类型的光纤连接器，使得A(或B)光纤CAN总线集线器上的光口通过这种光纤只能与双余度光节点中的C(或D)通道的光口相连。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的光纤CAN总线集线器的组网方法，其特征在于：所述A(或B)光纤CAN总线集线器上的级联光口，其功能是用于网络的扩展，工作在从方式的光纤CAN总线集线器通过级联光口用一根单光纤接入另一台工作于主方式的同类型的光纤CAN总线集线器的任意一个非级联光口，实现网络的扩展。
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