CN101582723B - 一种基于1×n无源光分路器的can总线物理层系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层构造，包括通过光纤依次连接的总线状态广播单元、一对多传输网络和若干个CAN节点：所述的总线状态广播单元包括下联光端口，用于将CAN总线中的上行信号复制成下行信号；所述的一对多传输网络由单个或级联的1×N无源光分路器组成，用于传输上行信号和下行信号；所述的CAN节点包括CAN控制器和光纤收发单元。本发明基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层构造具有极佳的抗电磁干扰特性，且具有更广的网络地域分布；同时大大提高了传输速率。

Description

一种基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于无源光纤网络的CAN总线物理层系统，可广泛应用于汽车内部电子设备互联、家用电器互联、工业现场控制以及远程工业设备互联。

背景技术

CAN总线是一种成熟的工业总线，被广泛应用于工业控制和汽车电子。在CAN总线的规范中，只定义了对象层(object layer)和传输层(transferlayer)。广泛使用的物理层构造为金属双绞线，如图1所示。多个节点挂接在CAN总线上，每个节点包括一个CAN控制器和一个驱动芯片。其中CAN控制器可以是一个单独的控制芯片，受外接的MCU控制，也可以本身就是一个包含CAN控制器逻辑的MCU。驱动芯片的作用是在CAN控制器的逻辑电平和CAN总线电平之间转换。CAN控制器和驱动芯片之间通过引脚CANTX和CANRX相联接。作为总线机构的必然要求，一个节点掉电不能影响到总线上不依赖于该节点的其它节点的正常运行。CAN总线有两个状态：显性(dominant)状态和隐性(recessive)状态。显性状态发生在CANH和CANL之间的差分电压高于某个定义值的时候，隐性状态发生在该差分电压低于某个定义值的时候。CANTX引脚是用来驱动总线状态的，CANRX是用来接收总线状态的。显性状态和隐性状态分别对应于CANTX和CANTX引脚的低电平和高电平。但是，一个由别的CAN节点的CANTX引脚触发的显性状态将会改写CAN总线上的隐性状态，即挂接在CAN总线上的所有节点中，只要有一个节点的CANTX引脚为低电平，则CAN总线为显性状态，只有所有节点的CANTX引脚为高电平，CAN总线才为隐性状态。CAN总线系统为多主系统，即只要总线空闲，任何节点都可以开始发送报文。CAN总线规范使用无损仲裁方法来避免两个或两个以上节点同时发送报文所引起的混乱：在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个节点可以继续发送。如果一个节点发送的是一“隐性”电平而监控到的是一“显性”电平，那么该节点就失去了仲裁，必须退出发送状态。

使用金属双绞线的CAN总线使用差分技术在一定程度上减弱了电磁干扰的影响，但在强电磁干扰和长距离的情况下，使用金属双绞线就不令人满意了：信号衰减和电磁干扰会引起信号畸变导致误码率升高。

光纤是一种理想的数字信号传输媒介，它对电磁干扰具有天然的免疫力。光纤可分为单模光纤、多模光纤和塑料光纤，传输距离依此递减：单模光纤能传输数十公里，多模光纤能传输数公里，塑料光纤就目前的技术能传输百米至数百米。之前对于用光纤实现CAN总线的应用多集中在光纤点对点的传输，因此，其实现方式既昂贵又繁复，其共同点都是要解决如何把总线状态告知每个CAN节点。如专利号为ZL200320127757.4的中国专利公开了一种车载CAN总线光纤集线器。该专利将CAN总线实现成一个集线器，采用的方式是使用集成的塑料光纤收发器进行点到点光信号传输方式，即每个节点放置在光纤的一端，集线器作为光纤的另一端，光收发器把每路的光信号转换为电信号，经过比较器和线与电路最终将总线状态转化成光信号传递给每个CAN节点。再如专利号为ZL200310111316.X的中国专利公开了一种环形光纤CAN总线网络，该专利把光纤CAN总线设计成环网，也是采用点到点光信号传输方式，每个节点将电信号转化为光信号，连接到下一个节点，再转化为电信号，该结构为了解决由环网引入的自激问题导致形式较为复杂，此外还有任意节点失效导致全网瘫痪的危险。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明将光纤传输一点对多点的概念引入光纤CAN总线，提出了一种基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，一举解决了诸多复杂问题。

1×N无源光分路器(Fiber Splitter)是一种将光信号进行耦合、分支、分配的器件，是光纤链路中最重要的无源器件之一，被广泛使用于EPON和GPON宽带光纤接入网中。它是具有一个输入端和N个输出端的光纤汇接器件。光信号(称为下行光信号)从唯一的输入端输入，同时从N个输出端输出。当将1×N无源光分路器的输入输出对调使用，即有N个输入端，有一个输出端，便构成了N×1光合路器，此时光信号(称为上行光信号)从N个输入端的任一个输入，从唯一的输出端输出。一个1×N无源光分路器可以同时用作为一个光合路器，让上行光信号和下行光信号同时存在。在这种情况下，为避免上行光信号和下行光信号的相互干扰，一般让上行光信号和下行光信号使用不同的波长，从而构成一个波分复用系统。

本发明采用的技术方案如下：一种基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，包括通过光纤依次连接的总线状态广播单元、一对多传输网络和若干个CAN节点：所述的总线状态广播单元包括下联光端口，用于将CAN总线中的上行信号复制成下行信号；所述的一对多传输网络由单个或级联的1×N无源光分路器组成，用于传输上行信号和下行信号；所述的CAN节点包括CAN控制器和光纤收发单元。

本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，所述的一对多传输网络为两个，且两个一对多传输网络之间设置有有源中继；有源中继的上联光端口和下联光端口分别与两个一对多传输网络通过光纤连接。

本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，总线状态广播单元与位于顶层的一对多传输网络通过单光纤连接；所述的总线状态广播单元包括单纤光收发器，单纤光收发器的RX和TX引脚通过导线相连。

本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，总线状态广播单元与位于顶层的一对多传输网络通过双光纤连接；所述的总线状态广播单元包括双纤光收发器，双纤光收发器的RX和TX引脚通过导线相连。

本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，总线状态广播单元与位于顶层的一对多传输网络通过双光纤连接；所述的总线状态广播单元为上下光纤直连结构。

本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，有源中继的上联光端口和下联光端口与一对多传输网络分别通过单光纤连接；所述的有源中继包括互相连接的两个单纤光收发器。

本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，有源中继的上联光端口与一对多传输网络通过单光纤连接；下联光端口与一对多传输网络通过双光纤连接；所述的有源中继包括依次连接的单纤光收发器和双纤光收发器。

本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，有源中继的上联光端口与一对多传输网络通过双光纤连接；下联光端口与一对多传输网络通过单光纤连接；所述的有源中继包括依次连接的双纤光收发器和单纤光收发器。

本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，有源中继的上联光端口和下联光端口与一对多传输网络分别通过双光纤连接；所述的有源中继包括依次连接的两个双纤光收发器。

本发明具有如下有益效果：1.本发明基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统是一种纯粹以光纤作为CAN总线信号传输的网络，具有极佳的抗电磁干扰特性；2.对于CAN节点来说，CAN控制器以及CANTX和CANRX引脚上的信号与使用金属双绞线时的情形完全相同，整个网络在严格意义上满足CAN总线传输层和对象层规范对物理层的要求；3.任何CAN节点的关闭不会影响到不依赖于该节点的其它节点的正常工作；4.由于总线状态广播单元只广播由某个节点自身发出的上行光信号，因此不会产生像环网中出现的自激现象；5.由于光纤(特别是单模和多模光纤)的低损耗加上有源中继的使用，本发明使得基于1×N无源光分路器的CAN总线较之基于金属双绞线的CAN总线具有更广的网络地域分布；6.较之基于金属双绞线的CAN总线，总线的数据速率不再受制于节点之间的距离，而只跟传输路径上的信号延迟有关，因此有可能突破CAN总线规范定义中最大为1Mbps的传输速率限制，使最大传输速率大大提高。

附图说明：

图1是现有技术中金属双绞线结构的CAN总线物理层系统；

图2是本发明实施例1的CAN总线物理层系统示意图；

图3是本发明实施例2的CAN总线物理层系统示意图；

图4是本发明的总线状态广播单元的采用单光纤的结构示意图；

图5是本发明的采用双光纤的总线状态广播单元的一种结构示意图；

图6是本发明的采用双光纤的总线状态广播单元另一种结构示意图；

图7是本发明的采用单光纤的一对多传输网络的结构示意图；

图8是本发明的采用双光纤的一对多传输网络的结构示意图；

图9是本发明的单-单光纤有源中继的结构示意图；

图10是本发明的单-双光纤有源中继的结构示意图；

图11是本发明的双-单光纤有源中继的结构示意图；

图12是本发明的双-双光纤有源中继的结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：如图2所示，本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统从上至下依次为一个总线状态广播单元、一个无源一对多传输网络，以及一些CAN节点，其间的连接可以使用单光纤，也可以使用双光纤。总线状态广播单元的作用是获取属于所有CAN节点的总线状态，然后把CAN节点的总线状态发送给所有的CAN节点。总线广播单元的DL端口与一对多传输网络的UL端口相连，总线广播单元接收来自于DL端口的上行光信号，并把它复制成下行光信号再从DL端口向下传送。其复制方式可以是有源的，也可以是无源的。具体连接方式如下：总线状态广播单元的下联光端口DL(DOWN LINK)与一对多传输网络的上联光端口UL(UP LINK)相连，一对多传输网络的下联光端口DL与CAN节点的上联光端口UL相连。本发明的工作原理是这样的：CAN总线有两个状态，显性状态和隐性状态。在本发明的光纤CAN总线中，以网络中有光传输定义为显性状态，以网络中无光传输定义为隐性状态。将CAN节点发出的光信号定义为上行信号，将来自于总线状态广播单元的光信号定义为下行信号。当某个CAN节点发出上行信号，信号将通过(有源或无源的)一对多传输网络传送到总线广播单元，总线状态广播单元立即将其转化为下行信号，通过一对多传输网络广播到所有的CAN节点。

根据总线状态广播单元与一对多传输网络的连接是使用单光纤还是双光纤，总线状态广播单元的结构可以分为三种情形。情形1：当总线状态广播单元与一对多传输网络的连接是使用单光纤时，如图4所示，总线状态广播单元包括一单光纤收发器，单光纤收发器的RX引脚和TX引脚通过导线相连。上行和下行信号共享同一光纤，具有波长为λ1的上行信号通过单纤光收发器转化为电信号从RX引脚上输出，并直连至TX引脚将电信号转化为波长为λ2的下行信号。情形2：当总线状态广播单元与一对多传输网络的连接是使用双光纤时，如图5所示，总线状态广播单元包括一双光纤收发器，双光纤收发器的RX引脚和TX引脚通过导线相连。上行信号和下行信号使用两条不同的光纤。即具有波长为λ1的光信号通过上行光纤进入双纤光收发器转化为电信号从RX引脚上输出，并直连至TX引脚将电信号转化为波长为λ2的光信号，从下行光纤输出。上述情形1和情形2中的信号由于经过光-电、电-光的转换，光信号强度得到了再生。情形3：当总线状态广播单元与一对多传输网络的连接是使用双光纤，并且上行信号通路的最大插入损耗加上下行信号通路的最大插入损耗不影响到光信号的接收时，则可以将上行光纤直接与下行光纤直连，如图6所示，这是成本最低的实现方式。

CAN节点与一对多传输网络的连接根据是使用单光纤还是双光纤分为两种情形。情形1：如果使用单光纤，则CAN节点中的收发单元使用单纤光收发器；情形2：如果使用双光纤，则CAN节点中的收发单元使用双纤光收发器；单纤光收发器比双纤光收发器除了在结构上多一组光复用/解复用器以外，与CAN控制器的接口是完全相同的。

如图2所示，一对多传输网络的基本构造为无源一对多传输网络，根据其使用单光纤还是双光纤分为两种情形。情形1：如果使用单光纤，则如图7所示，无源一对多传输网络为由一个1×N无源光分路器或多个呈菊花状级联的1×N无源光分路器构成的树形网络，其上行信号和下行信号使用同一个或一组1×N无源光分路器。情形2：如果使用双光纤，则如图8所示，无源一对多传输网络由两个结构完全相同的情形1中所述的树形网络所组成，其上行信号和下行信号使用不同的1×N无源光分路器(组)。

实施例2：当无源的一对多传输网络无法胜任CAN节点的规模或距离时，可以引入有源中继。如图3所示，本发明的的另一种实施例的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统依次为总线状态广播单元，一对多传输网络1，有源中继，一对多传输网络2以及一些CAN节点。如图3所示，一对多传输网络1位于顶层。其他结构同实施例1中所述，其区别在于多了处于两个一对多传输网络之间的有源中继。如图3所示，有源中继处于一对多传输网络1和一对多传输网络2之间。即一对多传输网络1的下联光端口DL和一对多传输网络2的上联光端口UL之间。且一对多传输网络可以是有源一对多传输网络，也可以是无源一对多传输网络。有源中继的下联光端口DL和上联光端口UL所使用的光纤形式必须跟与之相连的一对多传输网络的上联光端口UL或下联光端口DL相对应，共有四种情形。情形1：如图9所示，当与有源中继的上联光端口UL和下联光端口DL相连的都为单光纤时，所述的有源中继包括两个单纤光收发器，其中一个单纤光收发器的RX引脚与另一个单纤光收发器的TX引脚相连，对应的一个单纤光收发器的TX引脚与另一个的单纤光收发器的RX引脚相连；情形2：如图10所示，当与有源中继的上联光端口UL相连的为单光纤，与有源中继的下联光端口DL相连的为双光纤时，所述的有源中继包括互相连接的单纤光收发器和双纤光收发器；情形3：如图11所示，当与有源中继的上联光端口UL相连的为双光纤，与有源中继的下联光端口DL相连的为单光纤时，所述的有源中继包括互相相连的双光纤收发器和单光纤收发器；情形4：如图12所示，当与有源中继的上联光端口UL相连的为双光纤，与有源中继的下联光端口DL相连的为双光纤时，所述的有源中继包括互相相连的两个双纤光收发器。不管是哪种情形，都是将来自有源中继的上联光端口UL的下行光信号通过单纤或双纤光收发器转化成电信号后由其RX端口输出，再将此电信号输入单纤或双纤光收发器的TX端口将其转化成新的下行光信号从有源中继的下联光端口DL输出；将来自有源中继的下联光端口DL的上行光信号通过单纤或双纤光收发器转化成电信号由其RX端口输出，再将此电信号输入单纤或双纤光收发器的TX端口将其转化成新的上行光信号从有源中继的上联光端口UL输出。

采用本发明的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统的CAN总线的工作过程如下：当某个CAN控制器想要发送数据包时，它会驱动其CANTX引脚，继而通过光纤收发单元转化成光信号进入一对多传输网络的某个DL端口，它会沿一对多传输网络唯一一个上行通道到达一对多传输网络的UL端口并经总线状态广播单元的DL端口进入总线广播单元，总线广播单元将光信号进行复制并从总线广播单元的DL端口送出，再经一对多传输网络的UL端口，进入一对多传输网络的多个下行通道，到达一对多传输网络的所有DL端口，并经所有CAN节点的光纤收发单元，转化为每一个CANRX引脚上相同的电信号，每个CAN控制器接受CANRX引脚的电信号，并根据无损仲裁方法来确定是继续发送数据包还是中止数据包发送，其情形与使用金属双绞线的CAN总线别无二致。由于总线状态广播单元只广播由某个节点自身发出的上行光信号，因此不会产生像环网中出现的自激现象。

由于EPON、GPON技术成为当今国际最为热门的宽带接入技术之一，所以相关的器件(如光收发器、1×N无源光分路器、以及光纤接插件等)将会由于大规模应用而变得越来越廉价，这也使得本发明更具有实际的应用价值和巨大的应用市场。

Claims (9)

1.一种基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：包括通过光纤依次连接的总线状态广播单元、一对多传输网络和若干个CAN节点：所述的总线状态广播单元包括下联光端口，用于将CAN总线中的上行信号复制成下行信号；所述的一对多传输网络由单个或级联的1×N无源光分路器组成，用于传输上行信号和下行信号；所述的CAN节点包括CAN控制器和光纤收发单元。

2.如权利要求1所述的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：所述的一对多传输网络为两个，且两个一对多传输网络之间设置有有源中继；有源中继的上联光端口和下联光端口分别与两个一对多传输网络通过光纤连接。

3.如权利要求1或2所述的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：总线状态广播单元与位于顶层的一对多传输网络通过单光纤连接；所述的总线状态广播单元包括单纤光收发器，单纤光收发器的RX和TX引脚通过导线相连。

4.如权利要求1或2所述的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：总线状态广播单元与位于顶层的一对多传输网络通过双光纤连接；所述的总线状态广播单元包括双纤光收发器，双纤光收发器的RX和TX引脚通过导线相连。

5.如权利要求1或2所述的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：总线状态广播单元与位于顶层的一对多传输网络通过双光纤连接；所述的总线状态广播单元为上下光纤直连结构。

6.如权利要求2所述的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：有源中继的上联光端口和下联光端口与一对多传输网络分别通过单光纤连接；所述的有源中继包括互相连接的两个单纤光收发器。

7.如权利要求2所述的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：有源中继的上联光端口与一对多传输网络通过单光纤连接；下联光端口与一对多传输网络通过双光纤连接；所述的有源中继包括依次连接的单纤光收发器和双纤光收发器。

8.如权利要求2所述的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：有源中继的上联光端口与一对多传输网络通过双光纤连接；下联光端口与一对多传输网络通过单光纤连接；所述的有源中继包括依次连接的双纤光收发器和单纤光收发器。

9.如权利要求2所述的基于1×N无源光分路器的CAN总线物理层系统，其特征在于：有源中继的上联光端口和下联光端口与一对多传输网络分别通过双光纤连接；所述的有源中继包括依次连接的两个双纤光收发器。

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