CN103634183B - 一种总线型拓扑结构的星型物理分布can总线设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种总线型拓扑结构的星型物理分布CAN总线设备，包括交换点设备、外设和电缆，其特征在于：所述的交换点设备设有若干个CAN总线接口，在每个CAN总线接口的插座以及对应的插头中选取两个点，同一插头的两点之间通过电缆连接并连接一个外设，同一插座的两点分别通过电缆与相邻插座的一点连接。本发明适用于由于空间受限无法连接为总线形式的CAN总线设备，用星型的物理连接方式实现了CAN总线设备总线型的拓扑结构以及设备的热插拔设计。

Description

一种总线型拓扑结构的星型物理分布CAN总线设备

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种CAN总线设备。

背景技术

CAN（Controller area Network）总线因其良好的环境适应性和高可靠性在我国的航空等领域得到了广泛的应用。近年来在航天领域如小卫星、神舟飞船等领域得到了越来越多的应用。根据ISO/CD 11898（Road Vehicles-Controller area Network）中的规定，CAN总线具有两种拓扑结构：总线型拓扑与星型拓扑（hub-spoken topology）结构。具体如图1和图2所示。ISO/CD 11898对星型拓扑结构进行了严格的约束，具体如下：

1）每个外设都可以连接到星型交换点上，但星型交换点之间必须通过总线型拓扑结构连接；

2）外设到星型交换点的连线长度越短越好；

3）整个网络的总线长度和外设到外设的最大长度直接影响网络的通信质量。

由上可知，星型总线拓扑结构存在着总线结构复杂、阻抗匹配困难以及通信可靠性低等问题。同时，在实际应用过程中也发现了星型总线拓扑结构的通信误码率受电缆长度、设备个数、环境温度等因素的影响很大，不适用于具有高可靠性要求的应用环境。

基于上述原因，在航天应用领域，尤其是小卫星应用领域中，CAN总线均为总线型拓扑结构。总线型拓扑结构得到了大量的空间飞行验证，目前已成为航天应用领域中的默认标准。其具体连接关系如图3所示。在整个CAN总线系统中，外设通过电缆串行连接，当一个电缆插头断开后，整个CAN总线系统的通信将出现故障。CAN总线拓扑结构参数如下表所示：

但在某些特殊环境下，受空间大小以及应用需求的限制，CAN总线外设呈星型物理分布，同时总线上的设备有热插拔的需求。此时，按传统的连接方式无法实现总线型拓扑结构，若采用星型的拓扑结构形式将会给系统带来一定程度的应用风险。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种总线型拓扑结构的星型物理分布CAN总线设备，利用星型物理分布的外设实现CAN总线总线型拓扑结构的连接方式，同时，在此物理连接方式下实现CAN总线的热插拔操作，大幅度提高CAN总线传输的可靠性，拓展CAN总线的应用范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括交换点设备、外设和电缆，所述的交换点设备设有若干个CAN总线接口，在每个CAN总线接口的插座以及对应的插头中选取两个点，同一插头的两点之间通过电缆连接并连接一个外设，同一插座的两点分别通过电缆与相邻插座的一点连接。

所述的外设通过电缆连接一个转接插头，所述的同一插头的两点之间通过电缆连接一个转接插座，转接插头与转接插座可插拔配合。

本发明的有益效果是：本发明适用于由于空间受限无法连接为总线形式的CAN总线设备，用星型的物理连接方式实现了CAN总线设备总线型的拓扑结构以及设备的热插拔设计。具体包括以下优点：

①提高了CAN总线可传输的码速率。星型连接最高传输码速率为500kbps，总线型可以传输的最高码速率为1Mbps；

②降低了总线误码率，以此种连接方式可明显降低各节点的反射波，改善CAN总线信号，从而降低总线的误码率；

③可方便地更改电缆长度，降低了由于电缆长度变更而导致总线误码发生的概率；

④终端电阻匹配容易，此种连接方式可明确地知道CAN总线的终端节点，从而实施终端匹配；

⑤扩展了CAN总线功能，可对CAN总线实施热插拔操作。

附图说明

图1为CAN总线型拓扑结构示意图，并给出了总线的几项关键指标；

表1对图1的关键指标的范围进行了说明；

图2为CAN星型拓扑结构的示意图；

图3为目前卫星领域最经典的连接关系示意图；

图4为星型物理分布的总线型拓扑结构的连接方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的技术方案为：

①在星型物理分布的CAN总线设备中，以交换点设备为中心，外设通过电缆与其连接。交换点设备、外设、电缆共同组成CAN总线系统。

②交换点设备对外有多个CAN总线接口，对每个CAN总线接口予以编号。根据与外设的接口要求，在交换点设备的接口插座/头中选取两个点，通过同一插头中这两点之间的外部电缆回环连接以及相邻插座之间的内部电缆连接构成一条总线，将外设通过电缆挂在该总线上即可实现总线型的拓扑结构。

③连接在交换点设备CAN总线接口的两个相邻外设，通过交换点设备的内部电缆以及外部电缆实现CAN总线接口相邻外设的物理连接。内部电缆为交换点设备相邻CAN总线接口的互联线缆；外部电缆由两部分组成，一部分为与交换点设备CAN总线接口连接的电缆，一部分为与外设连接的电缆，这两部分电缆通过转接插座/头连接。

④由于所有外设均与交换点设备连接，交换点设备可对外设的状态进行检测，判断CAN总线接口外部电缆的连接状态，从而决定是否对外设实施加断电操作以确保CAN总线热插拔的可实施性。

如图4所示，各CAN总线设备呈星型分布，每个外设仅与交换点设备的CAN总线接口连接，而非如图3所示的需要和相邻外设相连接。CAN总线通过交换点设备内部电缆以及外部电缆确保整个总线型拓扑结构的实现。

此技术方案适用于在有限空间内对交换点设备具有集中控制需求的电子信息系统。该系统主要通过交换点设备内部电缆互联以及外部可插拔式电缆互联，并结合交换点设备对外设的加断电控制来实现CAN总线的热插拔功能，以及总线拓扑结构的变更。具体实现条件如下所述（示意图如图4）：

①交换点设备具有对外的多个接口，每个接口对应一个外设；

②交换点设备与外设的接口不仅包含CAN总线信号，还包含外部设备的状态信号以及外部设备的电源信号；

③依靠交换点设备内部电缆互联以及外部电缆互联实现CAN总线系统的连接。由于交换点设备内部互联线缆一般都很短，因此CAN总线干线长度主要取决于交换点设备各CAN总线接口至转接插头之间一入一出电缆长度的总和。转接插头可人为控制脱插，从而确保该外设是否连入总线中；

④CAN总线支线的长度取决于转接插头至各外设之间的线缆长度。

本方案旨在以交换点设备为核心，通过电缆的互联与控制，以星型的物理分布方式实现总线型的拓扑结构。此方案中，由于交换点设备与外设连接的外部电缆是由CAN总线的干线与支线共同构成，因此，线缆长度的范围较大可适用于不同大小的空间需求。另外，CAN总线本身并不支持热插拔方式，鉴于本方案的连接方式，交换点设备通过电缆中的状态位动态检测电缆转接头是否连接，可达到主动控制外部设备的加断电操作，从而扩展了CAN总线热插拔的功能。

本发明举例说明一个应用了此连接方法实现总线型拓扑结构的宇航型号产品。该产品的CAN总线系统连接示意图如图4所示。

CAN总线系统由交换点设备和6个外设组成，交换点设备具有6个对外的接口，连接6个外设。由于空间大小等因素的限制，在物理位置分布上该CAN总线设备只能为星型分布，即各个外设分布在交换点设备的四周，需要通过一定的电缆连接方式实现总线型的拓扑结构。交换点设备6个CAN总线接口插座的内部，依次通过内部电缆互联，在该型号产品中CAN总线接口插座选用J36A-26ZKB，该插座中有26个孔，将插座1的4孔与插座2的2孔连接，插座2的4孔与插座3的2孔连接，依次类推实现6个CAN总线接口之间的内部电缆连接。交换点设备的每个CAN总线接口插头选用J36A-26TJ，该插头有26个针，通过一条带有转接插头/座的电缆与外设相连，并在转接插座内部实现CAN总线接口插头节点的互联，例如在转接插座中将CAN总线接口插头的2和4点相连，再通过转接插头与外设相连，这样可方便地更改电缆长度，满足不同空间大小和应用需求。由于所有外设均与交换点设备连接，交换点设备可对外设的状态进行检测，判断CAN总线支线电缆的连接状态，从而决定是否能对外设实施加断电操作，确保了CAN总线热插拔的可实施性。

该产品应用于航天器内部，由于外设星型分布，只能采用星型的连接方式。在模样阶段，采用星型的拓扑结构。由于星型拓扑结构的反射波问题，带来了信号完整性问题。总线误码率较高，只能依靠在终端调整电阻来降低总线误码率。当总线电缆长度发生改变后，总线误码率又再次升高。给调试工作带来了很大的困难。

因此在初样阶段，我们利用这种方法将拓扑结构更改为总线方式。由于减少了CAN总线支线的长度，总线信号质量得到了提高。随后，根据航天器总体要求数次更改了电缆长度，更改对总线波形未产生影响，测试过程未出现误码。同时，由于在此总线拓扑结构下CAN总线的功能得以扩展，可实现热插拔操作。该功能的扩展为航天器内宇航员提供了友好的人机交互界面，更有利于CAN总线在空间领域的应用与发展。

该产品目前已进入待发射状态，先后经历了电源拉偏、热真空、热循环、交变湿热、地面温度、振动、冲击和EMC试验。在试验过程中CAN总线工作正常，测试过程中未出现误码。在随后的系统联调过程中，CAN总线工作正常，运行稳定。综上可得，此种连接方式得到了充分的验证，可以推广至有高可靠应用需求的广泛领域。

Claims (1)

1.一种总线型拓扑结构的星型物理分布CAN总线设备，包括交换点设备、外设和电缆，其特征在于：所述的交换点设备设有若干个CAN总线接口，在每个CAN总线接口的插座以及对应的插头中选取两个点，同一插头的两点之间通过电缆连接并连接一个外设，同一插座的两点分别通过电缆与相邻插座的一点连接；所述的外设通过电缆连接一个转接插头，所述的同一插头的两点之间通过电缆连接一个转接插座，转接插头与转接插座可插拔配合。