CN104734780B - 一种无源分光rs‑485光纤总线局端*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无源分光RS‑485光纤总线局端***，其特征在于，其两端分别连接无源分光的工业光纤总线的RS‑485总线控制端和无源RS‑485光网络终端；其包括相互连接的电源模块，主控板，多个平面波导型光分路器和多个光口，其中，所述主控板包括RS‑232中控接口，RS‑485中控接口，两路RS‑485级联接口，多个光电转换模块和总线仲裁处理器，所述RS‑232接口和两路RS‑485级联接口连接总线仲裁处理器和RS‑485总线控制端，所述多个光电转换模块一端连接总线仲裁处理器，另一端连接平面波导型光分路器一端，平面波导型光分路器另一端连接光口。
Description
技术领域
本发明涉及工业制造领域，具体涉及一种无源分光RS-485光纤总线局端***。
背景技术
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS-232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS-485解决了这个问题。
RS-485采用差分信号负逻辑，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。RS-485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上一般最多可以挂接32个结点。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。连接RS-485通信链路时用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。
传统的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。组网介质主要有双绞线电缆和光纤，双绞线电缆和光纤在构建网络时，具有如下问题：
(1)共模干扰：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，***只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。
(2)EMI：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
(3)采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。
(4)采用一条双绞线电缆作总线的最大通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100KbpS的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。随着传输距离的增加，通信速率会急速下降，并不能保证高速远距离的通信要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种远距离、高速、大容量、采用RS-485结合光纤通信，通信可靠性高的无源分光RS-485光纤总线局端***。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：
一种无源分光RS-485光纤总线局端***，其两端分别连接无源分光的工业光纤总线的RS-485总线控制端和无源RS-485光网络终端；其包括相互连接的电源模块，主控板，多个平面波导型光分路器和多个光口，其中，所述主控板包括RS-232中控接口，RS-485中控接口，两路RS-485级联接口，多个光电转换模块和总线仲裁处理器，所述RS-232中控接口和两路RS-485级联接口连接总线仲裁处理器和RS-485总线控制端，所述多个光电转换模块一端连接总线仲裁处理器，另一端连接平面波导型光分路器一端，平面波导型光分路器另一端连接光口。
其通过光信号与总线逻辑信号之间的转换，将RS-485总线控制端的控制信号传输至用户终端设备，对用户终端设备进行控制；以及，将用户终端设备反馈的数据传输至RS-485总线控制端。
RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中对应RS-485总线逻辑“0”信号为有光输出信号，对应RS-485总线逻辑“1”信号为无光输出信号，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络终端，将光信号转换成RS-485总线逻辑电平信号，实现对终端设备的控制。
用户终端设备反馈的数据，通过无源RS-485光网络终端将数据转换成TTL逻辑信号，然后根据TTL逻辑信号转换成光信号，通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS-232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。
所述光电转换模块包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路，发射单元接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“0”时驱动激光器发光，发出逻辑“0”的光信号，在接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“1”时，驱动电路不驱动激光器发光，产生逻辑“1”的光信号，接收单元在接收到无源RS-485光网络终端发送来的逻辑“0”光信号，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“1”TTL高电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“0”TTL低电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端，在没有光信号输入时，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“0”TTL低电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“1”TTL高电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端。
所述总线仲裁处理器包括处理芯片，以及与该处理芯片相连接的复位电路，时钟电路，处理芯片电源滤波及退耦电路，编程接口电路，拨码开关电路和接口扩展电路。
所述RS-232中控接口包括总线驱动电路A，以及与该总线驱动电路A相连接的DC-DC电源电路，两个光耦电路，接口插件和防雷电路。
所述RS-485中控接口和RS-485级联接口包括总线驱动电路B，以及与该总线驱动电路B相连接的DC-DC电源电路，两个光耦电路，反相电路，防雷电路和接口插件。
平面波导型光分路器负责将***主控制板中光电转换模块发射单元发出的光均匀的分配到每一个光纤节点端口上面和将各节点的光信号汇聚后送到***主控制板光电转换模块的接收端；***主控制板由一路RS-232中控接口和一路RS-485中控接口、两路RS-485级联接口、N个光电转换模块、总线仲裁处理器组成。RS-232中控接口和RS-485中控接口主要用来实现与RS-485总线控制平台(如远程抄表***平台)的通信连接，可以根据实际需要任选其一；两个RS-485级联端口，可以使一个局端设备扩展连接两个类似的局端设备，如果作为中间级联设备，则一个RS-485级联端口用于连接上行局端设备，一个用于连接下行局端设备。多个局端设备使用RS-485级联端口可以实现端口数的高容量扩展。
主控板的光电转换模块负责将总线仲裁处理器送出的TTL电平控制信号转换成光的形式送到平面波导型光分路器，并将经平面波导型光分路器送回来的光信号还原成总线仲裁处理器可以处理的TTL电平信号；光电转换模块由发射单元和接收单元组成。发射单元由激光驱动器和激光器组成；接收单元由光电二极管和放大比较电路组成。光电转换器的发射单元的输入端口为电平“1”时，驱动电路驱动激光器发光，发射单元的输入端口为电平“0”时，激光器截止，不发光；接收单元在接收有光信号输入时，输出高电平“1”，无光输入时，输出低电平“0”。
在RS-485中控接口总线逻辑为“0”电平时，经过总线仲裁处理器逻辑转换处理后，输出逻辑“1”高电平信号，此时光电转换模块的光发射单元的激光器驱动器驱动激光器发出具有一定强度的激光信号，该信号用以代表RS-485总线逻辑“0”；局端设备在RS-485中控接口总线逻辑为“1”电平时，经过总线仲裁处理器逻辑转换处理后，输出逻辑“0”低电平信号，光电转换模块的光发射单元的激光器驱动器驱动截止，迫使激光器不发出激光信号，该信号状态代表RS-485总线逻辑“1”；局端设备的光电转换模块的在光接收单元有光输入时，输出高电平“1”，经过总线仲裁处理器逻辑转换处理后，输出逻辑“0”低电平信号，使RS-485中控接口总线输出逻辑“0”，局端设备的光电转换模块的光接收单元无光输入时，输出低电平“0”，经过总线仲裁处理器逻辑转换处理后，输出逻辑高电平“1”信号，使RS-485中控接口总线输出逻辑“1”。
平面波导型光分路器(PLC Splitter)来设计是一种基于石英基板的集成波导光功率分配器件，具有体积小，工作波长范围宽，可靠性高，分光均匀性好等特点。
RS-485级联端口具有自动换向功能，可以根据数据总线的状态自动的切换收发功能，其由一个精密设计的延时使能控制电路来控制RS-485总线驱动器的工作状态。局端设备在RS-485级联端口总线逻辑为“0”电平时，直接通过总线仲裁处理器透传到RS-485中控接口总线，让其也为逻辑为“0”电平时，局端设备在RS-485级联端口总线逻辑为“1”电平时，直接通过总线仲裁处理器透传到RS-485中控接口总线，让其也为逻辑为“1”电平时，用户可以使用级联端口扩展多个局端设备来实现大容量的用户终端组网。
总线仲裁处理器由高密度、高速CPLD或FPGA组成，通过复杂的数字逻辑运算，完成各个RS-485光纤端口的通信逻辑控制，是整个***的核心，总线仲裁处理器将RS-485总线控制端发出的控制命令广播到所有光纤节点端口，让所有终端节点都可以接收到RS-485总线控制平台的控制指令，当用户终端设备收到属于自己发送指令时，将需要提交的数据经过无源分光RS-485光纤总线终端转换成光信号，通过光纤链路发送到无源分光RS-485光纤总线局端的总线仲裁处理器，总线仲裁处理器按照约定的通信机制处理后，将数据正确的传送到RS-485总线控制端，从而实现数据的远程采集。
本发明的有益效果是：本发明的网络局端***，为点对多点的通信组网，平面波导型光分路器其可集成在局端设备之中，也可以独立于局端设备之外，采用PLC分光方式直接无源传输RS-485信号，无需经过协议转换，不需要改变原有的网络架构，相比采用TCP/IP网络传输方式，整个***十分简单。采用点对多点的主--从结构，一个无源RS-485光网络局端最大可挂载128个节点，通过n个无源RS-485光网络局端的RS-485扩展接口级联可以挂载128*n个网络节点，极大的提高了***的通信容量。以往的点对点光纤连接方式需要两个设备对接，而现采用点对多点的主--从光纤方式，多个用户终端设备共享一个局端设备，网络结构简单，而且整个局端设备成本相比以往要节省很多。
有效解决了现有技术中，共模干扰，EMI，通信距离问题，可以传输10公里至40公里(根据平面波导型光分路器分光比而定)；通信速率与传输距离相互影响的问题；信号由于阻抗不连续造成的反射；提升***抗雷击防护能力，采用光纤隔离所有通信节点，同时所有RS-485光网络终端均采用三级超强防雷技术，彻底解决雷击对整个***的破坏危害。
附图说明
图1为本发明***整体结构示意图；
图2为总线仲裁处理器CPU电路图；
图3为总线仲裁处理器复位电路图；
图4为总线仲裁处理器时钟电路图；
图5为总线仲裁处理器处理芯片电源滤波及退耦电路图；
图6为总线仲裁处理器编程接口电路图；
图7为总线仲裁处理器拨码开关电路图；
图8为总线仲裁处理器接口扩展电路图；
图9为RS-232中控接口电路图；
图10为RS-485级联接口电路图A；
图11为电源模块电路图；
图12为光转换模块及平面波导型光分路器电路图1；
图13为RS-485中控接口电路图；
图14为RS-485级联接口电路图B
图15为光转换模块及平面波导型光分路器电路图2；
图16为光转换模块及平面波导型光分路器电路图3；
图17为光转换模块及平面波导型光分路器电路图4；
图18为光转换模块及平面波导型光分路器电路图5；
图19为光转换模块及平面波导型光分路器电路图6；
图20为光转换模块及平面波导型光分路器电路图7；
图21为光转换模块及平面波导型光分路器电路图8。
具体实施方式
实施例：参见图1～图21，本实施例提供一种无源分光RS-485光纤总线局端***，其两端分别连接无源分光的工业光纤总线的RS-485总线控制端和无源RS-485光网络终端；其包括相互连接的电源模块，主控板，多个平面波导型光分路器和多个光口，其中，所述主控板包括RS-232中控接口，RS-485中控接口，两路RS-485级联接口，多个光电转换模块和总线仲裁处理器，所述RS-232中控接口和两路RS-485级联接口连接总线仲裁处理器和RS-485总线控制端，所述多个光电转换模块一端连接总线仲裁处理器，另一端连接平面波导型光分路器一端，平面波导型光分路器另一端连接光口。
其通过光信号与总线逻辑信号之间的转换，将RS-485总线控制端的控制信号传输至用户终端设备，对用户终端设备进行控制；以及，将用户终端设备反馈的数据传输至RS-485总线控制端。
RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中对应RS-485总线逻辑“0”信号为有光输出信号，对应RS-485总线逻辑“1”信号为无光输出信号，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络终端，将光信号转换成RS-485总线逻辑电平信号，实现对终端设备的控制。
用户终端设备反馈的数据，通过无源RS-485光网络终端将数据转换成TTL逻辑信号，然后根据TTL逻辑信号转换成光信号，通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS-232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。
所述光电转换模块包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路，发射单元接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“0”时驱动激光器发光，发出逻辑“0”的光信号，在接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“1”时，驱动电路不驱动激光器发光，产生逻辑“1”的光信号，接收单元在接收到无源RS-485光网络终端发送来的逻辑“0”光信号，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“1”TTL高电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“0”TTL低电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端，在没有光信号输入时，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“0”TTL低电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“1”TTL高电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端。
所述总线仲裁处理器包括处理芯片，以及与该处理芯片相连接的复位电路，时钟电路，处理芯片电源滤波及退耦电路，编程接口电路，拨码开关电路和接口扩展电路。
所述RS-232中控接口包括总线驱动电路A，以及与该总线驱动电路A相连接的DC-DC电源电路，两个光耦电路，接口插件和防雷电路。
所述RS-485中控接口、RS-485级联接口包括总线驱动电路B，以及与该总线驱动电路B相连接的DC-DC电源电路，两个光耦电路，反相电路，防雷电路和接口插件。
平面波导型光分路器负责将***主控制板中光电转换模块发射单元发出的光均匀的分配到每一个光纤节点端口上面和将各节点的光信号汇聚后送到***主控制板光电转换模块的接收端；***主控制板由一路RS-232中控接口和一路RS-485中控接口、两路RS-485级联接口、N个光电转换模块、总线仲裁处理器组成。RS-232中控接口和RS-485中控接口主要用来实现与RS-485总线控制端(如远程抄表***平台)的通信连接，可以根据实际需要任选其一；两个RS-485级联端口，可以使一个局端设备扩展连接两个类似的局端设备，如果作为中间级联设备，则一个RS-485级联端口用于连接上行局端设备，一个用于连接下行局端设备。多个局端设备使用RS-485级联端口可以实现端口数的高容量扩展。
主控板的光电转换模块负责将总线仲裁处理器送出的TTL电平控制信号转换成光的形式送到平面波导型光分路器，并将经平面波导型光分路器送回来的光信号还原成总线仲裁处理器可以处理的TTL电平信号；光电转换模块由发射单元和接收单元组成。发射单元由激光驱动器和激光器组成；接收单元由光电二极管和放大比较电路组成。光电转换器的发射单元的输入端口为电平“1”时，驱动电路驱动激光器发光，发射单元的输入端口为电平“0”时，激光器截止，不发光；接收单元在接收有光信号输入时，输出高电平“1”，无光输入时，输出低电平“0”。
在RS-485中控接口总线逻辑为“0”电平时，经过总线仲裁处理器逻辑转换处理后，输出逻辑“1”高电平信号，此时光电转换模块的光发射单元的激光器驱动器驱动激光器发出具有一定强度的激光信号，该信号用以代表RS-485总线逻辑“0”；局端设备在RS-485中控接口总线逻辑为“1”电平时，经过总线仲裁处理器逻辑转换处理后，输出逻辑“0”低电平信号，光电转换模块的光发射单元的激光器驱动器驱动截止，迫使激光器不发出激光信号，该信号状态代表RS-485总线逻辑“1”；局端设备的光电转换模块的在光接收单元有光输入时，输出高电平“1”，经过总线仲裁处理器逻辑转换处理后，输出逻辑“0”低电平信号，使RS-485中控接口总线输出逻辑“0”，局端设备的光电转换模块的光接收单元无光输入时，输出低电平“0”，经过总线仲裁处理器逻辑转换处理后，输出逻辑高电平“1”信号，使RS-485中控接口总线输出逻辑“1”。
平面波导型光分路器(PLC Splitter)来设计是一种基于石英基板的集成波导光功率分配器件，具有体积小，工作波长范围宽，可靠性高，分光均匀性好等特点。
RS-485级联端口具有自动换向功能，可以根据数据总线的状态自动的切换收发功能，其由一个精密设计的延时使能控制电路来控制RS-485总线驱动器的工作状态。局端设备在RS-485级联端口总线逻辑为“0”电平时，直接通过总线仲裁处理器透传到RS-485中控接口总线，让其也为逻辑为“0”电平时，局端设备在RS-485级联端口总线逻辑为“1”电平时，直接通过总线仲裁处理器透传到RS-485中控接口总线，让其也为逻辑为“1”电平时，用户可以使用级联端口扩展多个局端设备来实现大容量的客户终端组网。
总线仲裁处理器由高密度、高速CPLD或FPGA组成，通过复杂的数字逻辑运算，完成各个RS-485光纤端口的通信逻辑控制，是整个***的核心，总线仲裁处理器将RS-485总线中央控制端发出的控制命令广播到所有光纤节点端口，让所有终端节点都可以接收到RS-485总线控制平台的控制指令，当用户终端设备收到属于自己发送指令时，将需要提交的数据经过无源分光RS-485光纤总线终端转换成光信号，通过光纤链路发送到无源分光RS-485光纤总线局端的总线仲裁处理器，总线仲裁处理器按照约定的通信机制处理后，将数据正确的传送到RS-485总线控制端，从而实现数据的远程采集。
但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书内容所作的等效步骤及结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种无源分光RS-485光纤总线局端***，其特征在于，其两端分别连接无源分光的工业光纤总线的RS-485总线控制端和无源RS-485光网络终端；其包括相互连接的电源模块，主控板，多个平面波导型光分路器和多个光口，其中，所述主控板包括RS-232中控接口，RS-485中控接口，两路RS-485级联接口，多个光电转换模块和总线仲裁处理器，所述RS-232中控接口和两路RS-485级联接口连接总线仲裁处理器和RS-485总线控制端，所述多个光电转换模块一端连接总线仲裁处理器，另一端连接平面波导型光分路器一端，平面波导型光分路器另一端连接光口；总线仲裁处理器通过复杂的数字逻辑运算，完成各个RS-485光纤端口的通信逻辑控制，将RS-485总线控制端的控制信号传输至用户终端设备，对用户终端设备进行控制；以及，将用户终端设备反馈的数据传输至RS-485总线控制端，实现无源分光RS-485光纤总线点对多点的双向通信。
2.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线局端***，其特征在于，RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中对应RS-485总线逻辑“0”信号为有光输出信号，对应RS-485总线逻辑“1”信号为无光输出信号，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络终端，将光信号转换成RS-485总线逻辑电平信号，实现对终端设备的控制。
3.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线局端***，其特征在于，用户终端设备反馈的数据，通过无源RS-485光网络终端将数据转换成TTL逻辑信号，然后根据TTL逻辑信号转换成光信号，通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS-232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。
4.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线局端***，其特征在于，所述光电转换模块包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路，发射单元接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“0”时驱动激光器发光，发出逻辑“0”的光信号，在接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“1”时，驱动电路不驱动激光器发光，产生逻辑“1”的光信号，接收单元在接收到无源RS-485光网络终端发送来的逻辑“0”光信号，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“1”TTL高电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“0”TTL低电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端，在没有光信号输入时，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“0”TTL低电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“1”TTL高电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端。
5.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线局端***，其特征在于，所述总线仲裁处理器包括处理芯片，以及与该处理芯片相连接的复位电路，时钟电路，处理芯片电源滤波及退耦电路，编程接口电路，拨码开关电路和接口扩展电路。
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- 2014-12-29 CN CN201410849061.5A patent/CN104734780B/zh active Active
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