CN102801594A - 一种煤矿液压支架电液控制系统的can总线中继器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器，第一CAN收发器模块与第一脉冲后沿延时模块连接，第一脉冲后沿延时模块与优先竞争模块连接，第二光耦隔离器与第二脉冲后沿延时模块连接，第二脉冲后沿延时模块与优先竞争模块连接，优先竞争模块与第一CAN收发器模块连接，优先竞争模块通过第三光耦隔离器与第二CAN收发器模块连接，具有实时传输，传输速度快等优点，同时当一边CAN总线发生故障时，不影响另一边CAN总线的数据收发。

Description

一种煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器

技术领域

本发明涉及一种CAN总线中继器，尤其是涉及一种煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器。

背景技术

CAN总线是近年来非常流行的几种现场总线之一，它规范了设备互联系统中的物理层和数据链路层。是一种多主方式的串行通信总线，可以组建多主对等的总线通信系统，因其非破坏性总线仲裁技术和强大的错误检测机制，其传输具有高可靠性，广泛应用于汽车、航天等工业领域中。

在大型的CAN总线网络系统中，许多的设备挂接在CAN总线上，如图1。由于CAN总线的带载能力的限制，不能让系统中的所有设备都挂在同一根CAN总线上，为此，常把CAN总线分成几段，每一段CAN总线上挂接的设备数量减少，保证每段CAN总线能正常驱动设备，并在每段CAN总线之间接入CAN连接器，把分段CAN总线连成一个整体网络，称为复合CAN总线，如图2。

目前，CAN总线分段连接多采用CAN缓存器。

CAN缓存器跨接在CAN总线上，随时监控接收每一段CAN总线上的每一帧数据（一帧数据常有几十位数据），并缓存在其存储器中，然后再向另一段CAN总线上竞争发出此帧数据。这两段CAN总线上的数据不进行实时仲裁处理，并且，当某段CAN总线故障时，不影响另一段CAN总线的运行。但是，因其数据缓存，使数据在复合CAN总线上的传输至少有一帧的延时。

当把CAN总线用于煤矿液压支架电液控制系统中，现有的CAN总线分段连接方式不能满足其实时控制要求。在煤矿液压支架电液控制系统中，有100多台支架控制连接成一个线性网络，某台支架控制器发出控制信号后，要求另一台支架控制器能实时执行，并把执行情况反馈回来，便于它做出后续的处理方式。若是CAN缓存器跨接在两台支架控制器之间，一台支架控制器发出的控制信号被CAN缓存器缓存，没有即时地传到另一台支架控制器，第一台支架控制器就不知道后续的处理方式。为此，需要重新设计一种具有实时传输CAN总线中继器。

发明内容

  本发明所要解决的技术问题是提供一种能满足实时传输的煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器，包括第一CAN收发器模块、第二CAN收发器模块、第一脉冲宽度限制模块、第二脉冲宽度限制模块、第一脉冲后沿延时模块、第二脉冲后沿延时模块、优先竞争模块、第一光耦隔离器、第二光耦隔离器和第三光耦隔离器；

   CAN总线第一接口与第一CAN收发器模块连接，CAN总线第二接口与第二收发器模块连接；

第一CAN收发器模块与第一脉冲宽度限制模块连接，第一脉冲宽度限制模块与第一光耦隔离器连接，第一光耦隔离器与第二CAN收发器模块连接，第二CAN收发器模块与第二光耦隔离器连接，第二光耦隔离器与第二脉冲宽度限制模块连接，第二脉冲宽度限制模块与第一CAN收发器模块连接，

第一CAN收发器模块与第一脉冲后沿延时模块连接，第一脉冲后沿延时模块与优先竞争模块连接，第二光耦隔离器与第二脉冲后沿延时模块连接，第二脉冲后沿延时模块与优先竞争模块连接，优先竞争模块与第一CAN收发器模块连接，优先竞争模块通过第三光耦隔离器与第二CAN收发器模块连接。

2．根据权利要求1所述的一种煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器，其特征在于第一CAN收发器模块包括型号为TJA1050T的第一芯片，CAN总线第一接口的CAN-H端与第一芯片的第七引脚连接，CAN总线第一接口的CAN-L端与第一芯片的第六引脚连接，第一芯片的第三引脚通过第十一电容后接地，第一芯片的第六引脚分别通过第十一电阻和第十五电容后接地，第一芯片的第七引脚分别通过第十电阻和所述的第十五电容后接地，第一芯片的第七引脚通过第十电容后接地，第一芯片的第六引脚通过第九电容接地，第一芯片的第六引脚通过第四稳压管后接地，第一芯片的第七引脚通过第三稳压管后接地，

第二CAN收发器模块包括型号为TJA1050T的第二芯片，CAN总线第二接口的CAN-H端与第二芯片的第七引脚连接，CAN总线第二接口的CAN-L端与第二芯片的第六引脚连接，第二芯片的第三引脚通过第十四电容后接地，第二芯片的第六引脚分别通过第十二电阻和第十六电容后接地，第二芯片的第七引脚分别通过第十三电阻和所述的第十六电容后接地，第二芯片的第七引脚通过第十二电容后接地，第二芯片的第六引脚通过第十三电容后接地，第二芯片的第六引脚通过第五稳压管后接地，第二芯片的第七引脚通过第六稳压管后接地，

第一脉冲宽度限制模块包括型号为SN74hc123N的第一单稳触发器、型号为SN74hc00N的第一与非门和型号为SN74hc00N的第二与非门，第一单稳触发器的第五引脚与第一与非门的第一输入端连接，第一单稳触发器的第九引脚与第二与非门的两个输入端连接，第二与非门的输出端与第一与非门的第二输入端连接；

第二脉冲宽度限制模块包括型号为SN74hc123N的第二单稳触发器、型号为SN74hc00N的第三与非门和型号为SN74hc00N的第四与非门，第二单稳触发器的第一引脚与第三与非门的两个输入端连接，第二单稳触发器的第十三引脚与第四与非门的第二输入端连接，第四与非门的第一输入端与第三与非门的输出端连接；

第一光耦隔离器包括型号为6N713的第三芯片，第二光耦隔离器包括型号为6N713的第四芯片，第三光耦隔离器包括型号为6N713的第五芯片；

第一脉冲后沿延时模块包括型号为SN74hc123N的第三单稳触发器和型号为SN74hc00N的第五与非门，第三单稳触发器的第十二引脚与第五与非门的第一输入端连接，第三单稳触发器的第十引脚与第五与非门的第二输入端连接，

第二脉冲后沿延时模块包括型号为SN74hc123N的第四单稳触发器和型号为SN74hc00N的第六与非门，第四单稳触发器的第四引脚与第六与非门的第二输入端连接，第四单稳触发器的第二引脚与第六与非门的第一输入端连接；

优先竞争模块包括型号为SN74hc00N的第七与非门和型号为SN74hc00N的第八与非门，第七与非门的输出端与第八与非门的第二输入端连接，第七与非门的第二输入端与第八与非门的输出端连接；第五与非门的输出端与第七与非门的第一输入端连接，第六与非门的输出端与第八与非门的第一输入端连接，

第一芯片的第一引脚与第四与非门的输出端连接，第一芯片的第四引脚与第一单稳触发器的第九引脚连接，第一芯片的第四引脚与第三单稳触发器的第十引脚连接，第一芯片的第八引脚与第八与非门的输出端连接，第七与非门的输出端与第五芯片的第三引脚连接，第一与非门的输出端与第三芯片的第三引脚连接，第三与非门的两个输入端与第四芯片的第六引脚连接，第五芯片的第六引脚与第二芯片的第八引脚连接，第三芯片的第六引脚与第二芯片的第一引脚连接，第四芯片的第三引脚与第二芯片的第四引脚连接。

与现有技术相比，本发明的优点是传统的CAN总线连接方式大多使用缓存方式，它采用“接收一帧数据——缓存一帧数据——再转发一帧数据”的方式将CAN总线上的数据流进行互通，CAN总线上数据流的发送和接收有至少一帧的延时，若转化时发生总线竞争，则延时更长。本CAN中继器采用按位转发，比如：CAN总线S1上的一位数据（隐性位）经过CAN收发器模块1、脉冲宽度限制模块2、光耦隔离器11、CAN收发器模块2，在S13的控制下，传输到CAN总线S5，具有传输速度快的优点。另外，本CAN中继器还具有CAN总线故障容错性能，当一边CAN总线发生故障时，不影响另一边CAN总线的数据收发。比如：CAN总线S1因故障而长时间处于隐性位时，此隐性位经CAN收发器模块1传到脉冲宽度限制模块2时，对此隐性位的时间进行限制，从而反转为显性位，此显性位经光耦隔离器11、CAN收发器模块4，到达CAN总线S5，因为转发到CAN总线5的数据是显性位，不影响CAN总线S5上的设备的数据收发。

附图说明

图1为现有技术中的CAN总线网络系统图；

图2为现有技术中的分段CAN总线网络系统图；

图3为本发明的结构框图；

图4为本发明的电路图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器，包括第一CAN收发器模块1、第二CAN收发器模块4、第一脉冲宽度限制模块2、第二脉冲宽度限制模块6、第一脉冲后沿延时模块7、第二脉冲后沿延时模块8、优先竞争模块9、第一光耦隔离器11、第二光耦隔离器12和第三光耦隔离器10；

   CAN总线第一接口JP1与第一CAN收发器模块1连接，CAN总线第二接口JP2与第二收发器模块4连接；

第一CAN收发器模块1与第一脉冲宽度限制模块2连接，第一脉冲宽度限制模块2与第一光耦隔离器11连接，第一光耦隔离器11与第二CAN收发器模块4连接，第二CAN收发器模块4与第二光耦隔离器12连接，第二光耦隔离器12与第二脉冲宽度限制模块6连接，第二脉冲宽度限制模块6与第一CAN收发器模块1连接，

第一CAN收发器模块1与第一脉冲后沿延时模块7连接，第一脉冲后沿延时模块7与优先竞争模块9连接，第二光耦隔离器12与第二脉冲后沿延时模块8连接，第二脉冲后沿延时模块8与优先竞争模块9连接，优先竞争模块9与第一CAN收发器模块1连接，优先竞争模块9通过第三光耦隔离器10与第二CAN收发器模块4连接。

第一CAN收发器模块包括型号为TJA1050T的第一芯片U5，CAN总线第一接口JP1的CAN-H端与第一芯片U5的第七引脚连接，CAN总线第一接口JP1的CAN-L端与第一芯片U5的第六引脚连接，第一芯片U5的第三引脚通过第十一电容C11后接地，第一芯片U5的第六引脚分别通过第十一电阻R11和第十五电容C15后接地，第一芯片U5的第七引脚分别通过第十电阻R10和第十五电容C15后接地，第一芯片U5的第七引脚通过第十电容C10后接地，第一芯片U5的第六引脚通过第九电容C9接地，第一芯片U5的第六引脚通过第四稳压管D4后接地，第一芯片U5的第七引脚通过第三稳压管D3后接地，

第二CAN收发器模块4包括型号为TJA1050T的第二芯片U6，CAN总线第二接口JP2的CAN-H端与第二芯片U6的第七引脚连接，CAN总线第二接口JP2的CAN-L端与第二芯片U6的第六引脚连接，第二芯片U6的第三引脚通过第十四电容C14后接地，第二芯片U6的第六引脚分别通过第十二电阻R12和第十六电容C16后接地，第二芯片U6的第七引脚分别通过第十三电阻R13和第十六电容C16后接地，第二芯片U6的第七引脚通过第十二电容C12后接地，第二芯片U6的第六引脚通过第十三电容C13后接地，第二芯片U6的第六引脚通过第五稳压管D5后接地，第二芯片U6的第七引脚通过第六稳压管D6后接地，

第一脉冲宽度限制模块2包括型号为SN74hc123N的第一单稳触发器U10B、型号为SN74hc00N的第一与非门U11C和型号为SN74hc00N的第二与非门U11D，第一单稳触发器U10B的第五引脚与第一与非门U11C的第一输入端连接，第一单稳触发器U10B的第九引脚与第二与非门U11D的两个输入端连接，第二与非门U11D的输出端与第一与非门U11C的第二输入端连接；

第二脉冲宽度限制模块6包括型号为SN74hc123N的第二单稳触发器U10A、型号为SN74hc00N的第三与非门U11B和型号为SN74hc00N的第四与非门U11A，第二单稳触发器U10A的第一引脚与第三与非门U11B的两个输入端连接，第二单稳触发器U10A的第十三引脚与第四与非门U11A的第二输入端连接，第四与非门U11A的第一输入端与第三与非门U11B的输出端连接；

第一光耦隔离器11包括型号为6N713的第三芯片U4，第二光耦隔离器12包括型号为6N713的第四芯片U7，第三光耦隔离器10包括型号为6N713的第五芯片U3；

第一脉冲后沿延时模块7包括型号为SN74hc123N的第三单稳触发器U2B和型号为SN74hc00N的第五与非门U1B，第三单稳触发器U2B的第十二引脚与第五与非门U1B的第一输入端连接，第三单稳触发器U2B的第十引脚与第五与非门U1B的第二输入端连接，

第二脉冲后沿延时模块8包括型号为SN74hc123N的第四单稳触发器U2A和型号为SN74hc00N的第六与非门U1A，第四单稳触发器U2A的第四引脚与第六与非门U1A的第二输入端连接，第四单稳触发器U2A的第二引脚与第六与非门U1A的第一输入端连接；

优先竞争模块9包括型号为SN74hc00N的第七与非门U1D和型号为SN74hc00N的第八与非门U1C，第七与非门U1D的输出端与第八与非门U1C的第二输入端连接，第七与非门U1D的第二输入端与第八与非门U1C的输出端连接；第五与非门U1B的输出端与第七与非门U1D的第一输入端连接，第六与非门U1A的输出端与第八与非门U1C的第一输入端连接，

第一芯片U5的第一引脚与第四与非门U11A的输出端连接，第一芯片U5的第四引脚与第一单稳触发器U10B的第九引脚连接，第一芯片U5的第四引脚与第三单稳触发器U2B的第十引脚连接，第一芯片U5的第八引脚与第八与非门U1C的输出端连接，第七与非门U1D的输出端与第五芯片U3的第三引脚连接，第一与非门U11C的输出端与第三芯片U4的第三引脚连接，第三与非门U11B的两个输入端与第四芯片U7的第六引脚连接，第五芯片U3的第六引脚与第二芯片U6的第八引脚连接，第三芯片U4的第六引脚与第二芯片U6的第一引脚连接，第四芯片U7的第三引脚与第二芯片U6的第四引脚连接。

在煤矿综采工作面液压支架电液控制系统中引入CAN总线技术，电液控制系统由200多台支架控制器组成一个线性网络，整个网络的长度达1000多米，支架控制器的供电采用分布式供电，CAN总线作为支架控制器间的控制数据交换链路。因为CAN总线的驱动能力的限制和分布供电的特点，常把200多台支架控制器分成多个组，每个组内的支架控制器挂接在同一根CAN总线上，组间采用CAN中继器把多个CAN总线段联接成一个复合CAN总线。

本发明涉及一种实时传输的CAN中继器，其内部功能框图如图3，由CAN收发器模块、脉冲宽度限制模块、脉冲后沿延时模块、优先竞争模块、光耦隔离器组成。它跨接在CAN总线上，把CAN总线分开为两段，随时监控接收每一段CAN总线上的每一位数据，并同时向另一段CAN总线上竞争发出此位数据。具有传输速度快、电气隔离、双向按位竞争实时传输、总线保护功能。

CAN总线上的位信号有两种状态，分为显性位（比如逻辑0）和隐性位（比如逻辑1），其运算（竞争）规则如下：显性状态位优于隐性状态位。当挂接在总线上的一个设备向总线发出显性位的同时，另一个设备发出隐性位，此时总线表现为显性位，CAN仲裁机制要求后一个设备停止发送数据。

CAN中继器跨接在CAN总线上，有４种工作状态，完成两段CAN总线上信号状态的同步竞争传输，如下表所示。传输原则是：显性传输，即把一边CAN总线上的显性状态传输到另一边CAN总线上。为了防止CAN总线上数据的循环死锁，要求传输方式只能有为“分时单向传输”或“不传输”，严禁“同时双向传输”。如果是“同时双向传输”，则当S1为显性位时，它传到S5，使S5也为显性位，此时，S5的显性位也反向传到S1，使S1为显性位，从而锁定S1为显性位。

表1：CAN总线实时隔离传输中继器的传输方式

CAN中继器内部有控制流和数据流。数据流是被传输的信息的通道，数据流有：S1→S2→S3→S4→S5和S5→S6→S7→S8→S1。控制流完成数据传输与否的控制，控制流有S2→S9，S7S→10，S11，S12。

“CAN收发器模块”完成CAN总线信号电平与TTL逻辑电平的竞争转换。比如“CAN收发器模块１”，S2随时跟踪S1的状态，当S1为显性位时，S2为逻辑电平0，当S1为隐性位时，S2为逻辑电平1；同时，数据S8在S11的控制下输出并与S1进行竞争合并。

“脉冲宽度限制模块”对输入的显性信号的宽度进行限制，当输入的显性电平宽度过宽时，则强行转换为隐性电平。比如，当S2长时间为显性电平时，经过“脉冲宽度限制模块2”后，S3不长时间为显性电平，再经S4，到达S5，就不会长时间地引起S5为显性电平，从而保证S5不受S1的长时间显性电平的锁死。

“光耦隔离器”对信号进行隔离传输，完成其两边电气的隔离。

“优先竞争模块”完成传输方向的选择，其选择方式如下表所示，完成把一边CAN总线上的显性状态传输到另一边CAN总线上。

表2：显性优先竞争模块的状态表

状态序号	S9状态	S10状态	S11	S12	单向传输方向
						1	显性	显性	X	非X	单向传输
2	显性	隐性	显性	隐性	S1传到S2
						3	隐性	显性	隐性	显性	S2传到S1
4	隐性	隐性	隐性	隐性	无传输

脉冲后沿延时模块，对控制信号的显性脉冲的后沿进行延时。

数据流在中继器内传输时有延时。比如，S1的显性状态脉冲向S5传输过程中，当S1的显性状态脉冲后沿到达时，S1已经变为隐性态，由于传输延时，此时，S5仍然为前面的显性状态， S5的显性态就要回传到S1，形成死锁。为了防止此时的回传，处理方式有两种，一种方式是此时段禁止传输，另一种方式是此时段维持原来的从S1向S5的传输方向。本中继器采用第二种处理方式，对显性脉冲的后沿进行一小段时间的延时，用延时后的显性脉冲去进行传输方式的选择，从而延长了传输控制时间。

Claims (2)

1.一种煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器，其特征在于包括第一CAN收发器模块、第二CAN收发器模块、第一脉冲宽度限制模块、第二脉冲宽度限制模块、第一脉冲后沿延时模块、第二脉冲后沿延时模块、优先竞争模块、第一光耦隔离器、第二光耦隔离器和第三光耦隔离器；

   CAN总线第一接口与第一CAN收发器模块连接，CAN总线第二接口与第二收发器模块连接；

第一CAN收发器模块与第一脉冲宽度限制模块连接，第一脉冲宽度限制模块与第一光耦隔离器连接，第一光耦隔离器与第二CAN收发器模块连接，第二CAN收发器模块与第二光耦隔离器连接，第二光耦隔离器与第二脉冲宽度限制模块连接，第二脉冲宽度限制模块与第一CAN收发器模块连接，

第一CAN收发器模块与第一脉冲后沿延时模块连接，第一脉冲后沿延时模块与优先竞争模块连接，第二光耦隔离器与第二脉冲后沿延时模块连接，第二脉冲后沿延时模块与优先竞争模块连接，优先竞争模块与第一CAN收发器模块连接，优先竞争模块通过第三光耦隔离器与第二CAN收发器模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿液压支架电液控制系统的CAN总线中继器，其特征在于第一CAN收发器模块包括型号为TJA1050T的第一芯片，CAN总线第一接口的CAN-H端与第一芯片的第七引脚连接，CAN总线第一接口的CAN-L端与第一芯片的第六引脚连接，第一芯片的第三引脚通过第十一电容后接地，第一芯片的第六引脚分别通过第十一电阻和第十五电容后接地，第一芯片的第七引脚分别通过第十电阻和所述的第十五电容后接地，第一芯片的第七引脚通过第十电容后接地，第一芯片的第六引脚通过第九电容接地，第一芯片的第六引脚通过第四稳压管后接地，第一芯片的第七引脚通过第三稳压管后接地，

第二CAN收发器模块包括型号为TJA1050T的第二芯片，CAN总线第二接口的CAN-H端与第二芯片的第七引脚连接，CAN总线第二接口的CAN-L端与第二芯片的第六引脚连接，第二芯片的第三引脚通过第十四电容后接地，第二芯片的第六引脚分别通过第十二电阻和第十六电容后接地，第二芯片的第七引脚分别通过第十三电阻和所述的第十六电容后接地，第二芯片的第七引脚通过第十二电容后接地，第二芯片的第六引脚通过第十三电容后接地，第二芯片的第六引脚通过第五稳压管后接地，第二芯片的第七引脚通过第六稳压管后接地，

第一脉冲宽度限制模块包括型号为SN74hc123N的第一单稳触发器、型号为SN74hc00N的第一与非门和型号为SN74hc00N的第二与非门，第一单稳触发器的第五引脚与第一与非门的第一输入端连接，第一单稳触发器的第九引脚与第二与非门的两个输入端连接，第二与非门的输出端与第一与非门的第二输入端连接；

第二脉冲宽度限制模块包括型号为SN74hc123N的第二单稳触发器、型号为SN74hc00N的第三与非门和型号为SN74hc00N的第四与非门，第二单稳触发器的第一引脚与第三与非门的两个输入端连接，第二单稳触发器的第十三引脚与第四与非门的第二输入端连接，第四与非门的第一输入端与第三与非门的输出端连接；

第一光耦隔离器包括型号为6N713的第三芯片，第二光耦隔离器包括型号为6N713的第四芯片，第三光耦隔离器包括型号为6N713的第五芯片；

第一脉冲后沿延时模块包括型号为SN74hc123N的第三单稳触发器和型号为SN74hc00N的第五与非门，第三单稳触发器的第十二引脚与第五与非门的第一输入端连接，第三单稳触发器的第十引脚与第五与非门的第二输入端连接，

第二脉冲后沿延时模块包括型号为SN74hc123N的第四单稳触发器和型号为SN74hc00N的第六与非门，第四单稳触发器的第四引脚与第六与非门的第二输入端连接，第四单稳触发器的第二引脚与第六与非门的第一输入端连接；

优先竞争模块包括型号为SN74hc00N的第七与非门和型号为SN74hc00N的第八与非门，第七与非门的输出端与第八与非门的第二输入端连接，第七与非门的第二输入端与第八与非门的输出端连接；第五与非门的输出端与第七与非门的第一输入端连接，第六与非门的输出端与第八与非门的第一输入端连接，

第一芯片的第一引脚与第四与非门的输出端连接，第一芯片的第四引脚与第一单稳触发器的第九引脚连接，第一芯片的第四引脚与第三单稳触发器的第十引脚连接，第一芯片的第八引脚与第八与非门的输出端连接，第七与非门的输出端与第五芯片的第三引脚连接，第一与非门的输出端与第三芯片的第三引脚连接，第三与非门的两个输入端与第四芯片的第六引脚连接，第五芯片的第六引脚与第二芯片的第八引脚连接，第三芯片的第六引脚与第二芯片的第一引脚连接，第四芯片的第三引脚与第二芯片的第四引脚连接。

Images