CN102904786B - 一种光纤can总线节点单元及其can总线拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤领域，公开了一种光纤CAN总线节点单元及其CAN总线拓扑。本发明光纤CAN总线节点单元包括CAN节点和接入模块；CAN节点上设置有差分信号接口；接入模块上设置有差分信号接口、光纤输入端、光纤输出端；CAN节点和接入模块通过所述差分信号接口连接并进行差分信号的传输；接入模块实现差分信号与光纤信号的转换。本发明光纤CAN总线拓扑包括光纤和光纤CAN总线节点单元串联的闭合环路。本发明具有灵活简易、有利于扩展应用的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及光纤领域，特别涉及一种光纤CAN总线节点单元及其CAN总线拓扑。
背景技术
如图2所示，现有技术中传统光纤CAN总线拓扑是由多个现有光纤CAN节点15通过两根传输单向光纤信号的光纤12连接成闭合环路构成。常见的一种光纤CAN总线中的光纤CAN转换器用于实现CAN总线信号到光纤信号的转换，用于现有技术光纤CAN节点之间的点对点连接，多个光纤CAN节点的连接采用链状级联，处于链两端的节点采用光纤CAN转换器，处于中间的节点采用光纤CAN中继器。光纤CAN中继器由两个光纤CAN转换器组合而成。
业界已有的一种光纤CAN转换器实现方式如图1所示，每个现有技术光纤CAN节点15都需要有两个Tx(11)和Rx(10)端口，以实现CAN节点之间的串接和中继。现有技术中存在的问题是，由于每个Tx(11)和Rx(10)端口都需要在部件正常供电的情况才能亮起，因而某些需要常开的部件必须挂在靠近CAN主站的第一个节点。并且总线信号的传输要经过多个节点的多次光电相互转换,随着节点数目的增加,信号传输的延迟将线性增加,在CAN总线时序的限制下,节点的数目将被限制。
本发明克服了上述现有技术光纤CAN总线产品延迟高、总线拓扑不灵活的缺陷，提出了一种创新的光纤CAN总线节点单元及其CAN总线拓扑，能够便捷地将传统电缆CAN节点通过接入模块直接组成本发明的光纤CAN总线节点单元，并避免了现有技术光信号中继装置带来的延迟问题，且可以仅仅利用单线光纤实现各路信号传输，本发明CAN总线拓扑具有灵活简易、有利于扩展应用的有益效果。
发明内容
本发明提出了一种光纤CAN总线节点单元，所述光纤CAN总线节点单元包括CAN节点和接入模块；所述CAN节点上设置有差分信号接口；所述接入模块上设置有差分信号接口、光纤输入端、光纤输出端；其中，所述CAN节点和接入模块通过所述差分信号接口连接并进行差分信号的传输；所述接入模块实现差分信号与光纤信号的转换。
其中，CAN节点中包括CPU处理器。
其中，接入模块中包括CAN总线收发器、光纤信号接收器、光纤信号发送器、光纤定向耦合器、光电转换单元。
其中，接入模块将由光纤输入端输入的光纤信号转化为差分信号传输至CAN节点；或将由CAN节点传输的差分信号转化为光纤信号经光纤输出端发送至总线。
其中，差分信号依次经CAN总线收发器、光电转换单元转换为光纤信号，由光纤信号发送器将光纤信号发送至光纤定向耦合器，再经光纤定向耦合器耦合至光纤总线；所述光纤信号接收器从光纤定向耦合器接收到所述光纤信号后发送至光纤信号接收器(4)，再经光电转换单元、CAN总线收发器转换为所述差分信号传输至CAN节点。
其中，光电转换单元设置在CAN总线收发器与光纤信号接收器之间以及CAN总线收发器与光纤信号发送器之间，实现光纤信号与逻辑电平信号的互相转换。
其中，CAN总线收发器实现差分信号与逻辑电平信号的互相转换。
本发明还提出了一种应用所述光纤CAN总线节点单元的光纤CAN总线拓扑，其包括闭合线路的光纤和一个以上所述光纤CAN总线节点单元；其中，所述光纤CAN总线节点单元之间通过光纤串联。
其中，构成闭合线路的光纤通过光纤输入端和光纤输出端与光纤CAN总线节点单元连接。
其中，在所述光纤CAN总线拓扑中的光纤CAN总线节点单元之间设置有光放大装置。
本发明以光纤作为整条CAN总线的唯一物理传输介质，光纤CAN总线上没有光信号中继装置，不会随光纤CAN总线节点单元数量的增加而增加总线延迟。本发明以光信号的“线或”特性代替电缆CAN总线的“线与”特性完成总线上的优先级仲裁，与电缆CAN总线有更高的技术一致性。
本发明对现有技术中的传统电缆CAN节点无需作内部更改，只需通过原先的CAN总线接口扩展一个接入模块即可构成接入本发明的光纤CAN总线节点单元。本发明在光纤CAN总线节点单元之间使用光纤输出端、光纤输入端连接结构，可以避免使用光纤焊接，同时使得节点部件的插入和替换更为灵活。由于本发明光纤CAN总线节点单元间使用光纤直接连接，任何部件仍然可以在其他部件关断的情况下接入CAN网络，因而不需将系统中某些需要常开的设备挂在最靠近主站的物理位置。
附图说明
图1是现有技术中光纤CAN节点的结构示意图。
图2是现有技术中光纤CAN总线拓扑的示意图。
图3是本发明光纤CAN总线节点单元的结构示意图。
图4是本发明光纤CAN总线拓扑的示意图。
图5是设置光放大装置的本发明光纤CAN总线拓扑的示意图。
图6是本发明光纤CAN总线节点单元的另一实施例的示意图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
如图1-6所示：1-CAN节点，2-CAN总线收发器，3-2*2光纤定向耦合器，4-光纤信号接收器，5-光纤信号发送器，6-差分信号CANH接口，7-差分信号CANL接口，8-CAN总线收发器信号接收端,9-CAN总线收发器信号发送端，10-光纤输出端，11-光纤输入端，12-单纤光纤，13-光纤CAN总线节点单元，14-CAN控制器，15-现有技术光纤节点、16-接入模块、17-光放大装置，18-嵌入式处理器CPU，19-CAN总线控制器。
如图3所示，本发明光纤CAN总线节点单元13包括CAN节点1和接入模块16。CAN节点1上设置有两个差分信号接口。接入模块16上设置有两个差分信号接口6、7。CAN节点1通过差分信号接口与接入模块16相连接。
本发明中，CAN节点1是传统CAN总线的电缆CAN节点，在该节点基础上扩展一个电信号与光信号转换的接口。CAN节点1中包括CPU处理器。CAN节点1传输两路差分信号CANH、CANL。
接入模块16包括CAN总线收发器2、2*2光纤定向耦合器3、光纤信号接收器4、光纤信号发送器5、光电转换单元。接入模块16设置有光纤输入端Tx11、光纤输出端Rx10。
接入模块16将由光纤输入端11输入的光纤信号转化为差分信号传输至CAN节点1。接入模块16将由CAN节点1传输的差分信号转化为光纤信号经光纤输出端10发送至光纤总线。
差分信号依次经CAN总线收发器2、光纤信号发送器5转换为光纤信号，再经光纤定向耦合器3耦合至光纤总线。光纤信号接收器4从光纤定向耦合器3接收到光纤信号后，经CAN总线收发器2转换为差分信号传输至CAN节点1。
CAN总线收发器2实现差分信号与逻辑电平信号的互相转换。CAN总线收发器2是通过设置在其中的CAN总线收发器信号接收端8和CAN总线收发器信号发送端9与分别光线信号接收器4、光纤信号发送器5连接，再分别使用可拆卸的卡扣结构的接口连接到2*2光纤定向耦合器3的输出、输入的各一个端口。
光纤定向耦合器3是自光纤信号发送器5、光纤输入端11接收光纤信号，再将光纤信号发送至光纤信号接收器4、光纤输出端10。2*2光纤定向耦合器3的另两个端口作为光纤的连接口，分别与光纤输出端Rx10和光纤输入端Tx11相连。
光纤信号接收器4是从光纤定向耦合器3接收光纤信号，再将光纤信号发送至CAN总线收发器2。光纤信号发送器5是从CAN总线收发器2接收到光纤信号，再将光纤信号发送至光纤定向耦合器3。
光电转换单元设置在CAN总线收发器2与光纤信号接收器4之间以及CAN总线收发器2与光纤信号发送器5之间，实现光纤信号与逻辑电平信号的互相转换。
如图3所示，本发明中传统电缆CAN节点1与接入模块16之间的信号转换过程为：传统电缆CAN节点1发出的总线差分信号通过差分信号CANH接口7和CANL接口6由CAN总线收发器2接收，CAN总线收发器2将差分信号转换成原始的TTL电平单端信号，然后通过设置在CAN总线收发器2与光纤信号发送器5之间的光电转换单元转换成光纤信号。光纤信号经光纤信号发送器5发送至光纤定向耦合器3，由光纤定向耦合器3将其耦合至光纤总线。反之，光纤信号也可通过设置在光纤信号发送器5与CAN总线收发器2之间的光电转换单元转换成TTL电平单端信号，再经CAN总线收发器2转换为总线差分信号，通过差分信号CANH接口7和CANL接口6传输至电缆CAN节点1。
其中，光电转换单元可分别实现电转光或者光转电的功能。CAN总线收发器2实现差分信号和单端信号之间的转换。
当电缆CAN节点1给出差分信号，经由CAN总线收发器2转换成原始的TTL电平单端信号，再由光电转换单元转换为光纤信号后，由光纤信号发送器5接收到的光纤信号再依次发送至光纤定向耦合器3、光纤输出端10。
光纤输入端11接收到光纤信号，发送至光纤定向耦合器3，光纤信号接收器4从光纤定向耦合器3接收到光纤信号，再将其发送至光电转换单元转换为TTL电平单端信号，经CAN总线收发器2转换为总线差分信号传送至CAN节点1中的CPU处理器进行处理。
光纤定向耦合器3也可以自光纤输入端11接收到光纤信号，再直接将光纤信号发送至光纤输出端10。
如图4所示，本发明CAN总线拓扑包括光纤CAN总线节点单元13与单纤的光纤12，相邻两个光纤CAN总线节点单元13之间通过一条单纤的光纤12串联连接，光纤12与光纤CAN总线节点单元13构成一个首尾相连形成环状的闭合线路。
由于本发明的光纤CAN总线拓扑上没有光信号中继装置，而是采用光纤直接连接，从而避免随光纤CAN节点单元数量增加而引起总线延迟的增加。
如图5所示，在本发明光纤CAN总线拓扑的光纤CAN总线节点单元之间还可以增加设置光放大装置17。由于本发明的CAN光纤信号经过光纤环路时要经过各CAN节点单元中2*2光纤定向耦合器3多次分光，每分一次光的强度就会以一定的比率衰减,最终会导致光强太小而不能驱动光电转换单元。为了改善这种状况，可以在光纤CAN总线拓扑的光纤CAN总线节点单元之间的部分环路上增加设置光放大装置17，例如设置半导体光放大器(SOA)。该光放大装置17能够直接将光纤中的光强度放大，而不必进行光电转换，从而有效避免了光电转换带来的延迟。
本发明的另一种实施方式如图6所示，每个光纤CAN总线节点单元至少包含：嵌入式处理器CPU18，CAN总线控制器19，光纤信号发送器5，光纤信号接收器4，一个2x2光纤定向耦合器3，光纤输出端10、和光纤输入端11。CAN节点的输入端和输出端可设置光纤连接器，如耦合器或者适配器。
嵌入式处理器CPU18与CAN总线控制器19连接并实现单端电平信号的通信。本实施例省略了将传统CAN总线节点中单端信号到差分信号的转换过程和接入模块中差分信号到单端信号的还原过程，既实现了光纤CAN总线节点的功能，同时又简化了节点构成。
CAN总线控制器19与光纤信号接收器4、光纤信号发送器5连接并实现信号的互换。CAN总线控制器19通过光电转换单元将单端电平信号转换成光纤信号，依次发送至光纤信号发送器5、2x2光纤定向耦合器3，再由2x2光纤定向耦合器3将光纤信号耦合至总线。同样，2x2光纤定向耦合器3将从总线接收到的光纤信号依次传输至光纤信号接收器4、光电转换单元，由光电转换单元将光纤信号转换成单端电平信号传输至CAN总线控制器19，再由CAN总线传输器发送至嵌入式处理器CPU18。
Claims (8)
1.一种应用光纤CAN总线节点单元的光纤CAN总线拓扑，其特征在于，包括闭合线路的光纤(12)和一个以上所述光纤CAN总线节点单元(13)；所述光纤CAN总线节点单元(13)之间通过所述光纤(12)串联，光纤(12)与光纤CAN总线节点单元(13)构成一个首尾相连形成环状的闭合线路；其中，所述光纤CAN总线节点单元(13)包括CAN节点(1)和接入模块(16)；所述CAN节点(1)为电缆CAN节点，所述CAN节点(1)上设置有两个差分信号接口；所述接入模块(16)上设置有差分信号接口、光纤输入端(11)和光纤输出端(10)，所述接入模块(16)还包括CAN总线收发器(2)、光纤信号接收器(4)、光纤信号发送器(5)、光纤定向耦合器(3)、光电转换单元，其中，电缆CAN节点通过所述接入模块(16)直接组成所述光纤CAN总线节点单元；所述CAN节点(1)的差分信号接口和所述接入模块(16)的差分信号接口连接并进行差分信号的传输；所述接入模块(16)实现差分信号与光纤信号的转换,CAN总线收发器(2)将差分信号转换成原始的TTL电平单端信号，然后通过设置在CAN总线收发器(2)与光纤信号发送器(5)之间的光电转换单元转换成光纤信号，再经所述光纤定向耦合器(3)耦合至光纤总线。
2.如权利要求1所述的光纤CAN总线拓扑，其特征在于，所述CAN节点(1)中包括CPU处理器。
3.如权利要求1所述的光纤CAN总线拓扑，其特征在于，所述接入模块(16)将由光纤输入端(11)输入的光纤信号转化为差分信号传输至CAN节点(1)；或将由CAN节点(1)传输的差分信号转化为光纤信号经光纤输出端(10)发送至总线。
4.如权利要求1所述的光纤CAN总线拓扑，其特征在于，所述光纤信号接收器(4)从光纤定向耦合器(3)接收到所述光纤信号后发送至CAN总线收发器信号接收端(8)，再经光电转换单元、CAN总线收发器(2)转换为所述差分信号传输至CAN节点(1)。
5.如权利要求1所述的光纤CAN总线拓扑，其特征在于，所述光电转换单元设置在CAN总线收发器(2)与光纤信号接收器(4)之间以及CAN总线收发器(2)与光纤信号发送器(5)之间，实现光纤信号与逻辑电平信号的互相转换。
6.如权利要求1所述的光纤CAN总线拓扑，其特征在于，所述CAN总线收发器(2)实现差分信号与逻辑电平信号的互相转换。
7.如权利要求1所述的光纤CAN总线拓扑，其特征在于，所述光纤(12)通过光纤输入端(11)和光纤输出端(10)与所述光纤CAN总线节点单元(13)连接。
8.如权利要求1所述的光纤CAN总线拓扑，其特征在于，在所述光纤CAN总线拓扑中的光纤CAN总线节点单元(13)之间设置光放大装置(17)。
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