CN104301191A - 总线系统 - Google Patents

Abstract

一种总线系统。所述总线系统包括：至少一个节点单元，所述节点单元包括：至少两个控制器，所述控制器适于在接收到的信号的优先级高于发送的信号的优先级时停止发送信号，否则继续发送信号至选择电路；选择电路，适于将所述至少两个控制器发送的信号中优先级最高的信号发送至收发器；收发器，适于将总线上的信号发送至各个控制器，并将所述选择电路发送的信号发送至所述总线。本发明技术方案的总线系统结构简单且降低了总线成本。

Description

总线系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种总线系统。

背景技术

随着工业的发展，工业生产中越来越多地使用到各种现场总线对生产设备的终端进行控制，以实现生产的自动化。目前常见的现场总线有I2C总线、RS-232-C总线、RS-485总线和控制器局域网（CAN，Controller Area Network）总线等。CAN总线以其卓越性能已被广泛应用于工业自动化、交通工具和医疗仪器等众多领域。

图1示出了现有的CAN总线系统的结构示意图。如图1所示，现有的CAN总线系统包括：控制器11～1N、收发器21～2N和两根总线。其中，两根总线上传输的是差分信号CANH和CANL；所述控制器11～1N和所述收发器21～2N分别一一对应连接，并且每一组相互对应的控制器和收发器作为一个节点。每个节点均可以随时向总线发送数据。

现有的CAN总线系统采用的是“载波监测，多主掌握/冲突避免”（CSMA/CA）的通信模块。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个节点都有机会取得总线的控制权并向外发送数据。如果同一时刻有两个或两个以上的节点要求发送数据，那么就会产生总线冲突，CAN总线系统中控制器能够实时地检测这些冲突并进行仲裁，从而使具有高优先级的数据不受任何损坏的进行传输。

现有的CAN总线系统中，每个控制器均需对应连接一个收发器，从而实现向CAN总线发送数据或者从总线上获取数据。若CAN总线系统中包括终端设备较多时，则需要用到大量的收发器，从而使得CAN总线系统的结构复杂，成本较高。

因此，如何简化CAN总线的结构并有效降低CAN总线的设计成本就成为本领域亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明解决的是现有的CAN总线系统结构复杂及成本较高的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种总线系统，包括：至少一个节点单元，所述节点单元包括：

至少两个控制器，所述控制器适于在接收到的信号的优先级高于发送的信号的优先级时停止发送信号，否则继续发送信号至选择电路；

选择电路，适于将所述至少两个控制器发送的信号中优先级最高的信号发送至收发器；

收发器，适于将总线上的信号发送至各个控制器，并将所述选择电路发送的信号发送至所述总线。

可选的，所述选择电路包括：具有多个输入端的与门和上拉单元，所述与门的各个输入端与该节点单元中各个控制器的输出端一一对应连接；所述上拉单元适于在控制器停止发送信号时将与停止发送信号的控制器相连接的与门的输入端上拉至高电平。

可选的，所述上拉单元包括：多个电阻，所述多个电阻的第一端均连接至电源电压，所述多个电阻的第二端与所述与门的各个输入端一一对应连接。

可选的，所述上拉单元包括：电阻和多个开关单元，所述电阻的第一端连接电源电压，所述电阻的第二端连接所述多个开关单元的第一端；所述多个开关单元的第二端与该节点单元中各个控制器的输出端一一对应连接；所述多个开关单元适于在与其相连接的控制器停止发送信号时导通。

可选的，所述总线为CAN总线。

可选的，所述CAN总线为光纤或双绞线。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案的总线系统中，多个控制器通过一个选择电路与一个收发器相连，所述收发器将选择电路发送的信号发送至总线，并将总线上的信号发送至与其对应连接的控制器。与现有技术相比，本技术方案的总线系统减少了收发器的数量，从而简化了总线结构并有效降低了总线成本。

可选方案中，所述选择电路包括：具有多个输入端的与门和上拉单元，所述与门的各个输入端与该节点单元中各个控制器的输出端一一对应连接；所述上拉单元适于在控制器停止发送信号时将与停止发送信号的控制器相连接的与门的输入端上拉至高电平。本发明技术方案的选择电路结构简单，易于实现，从而进一步降低了总线成本。

附图说明

图1是现有的一种CAN总线系统的结构示意图；

图2是本发明总线系统实施例一的结构示意图；

图3是本发明总线系统中控制器的发送信号与接收信号的时序示意图；

图4是图2所示选择电路的一种实现方式的结构示意图；

图5是图2所示选择电路的另一种实现方式的结构示意图；

图6是本发明总线系统实施例二的结构示意图；

图7是图6所示总线系统中控制器的发送信号与接收信号的时序示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有的CAN总线系统中控制器与收发器一一对应连接，由所述收发器将控制器发送的数据转化成CAN总线所需的差分信号，并由所述收发器接收总线上的信号。现有的CAN总线系统结构比较复杂，成本较高。

为解决上述问题，本发明提供了一种总线系统，该总线系统中，多个控制器通过一个选择电路与一个收发器对应连接，从而实现数据传输。本发明技术方案的总线系统结构简单，成本低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图2示出了本发明总线系统实施例一的结构示意图。参考图2，所述总线系统包括：一个节点单元。所述节点单元与两条总线400相连，所述两条总线400上传输的信号为差分信号。

所述节点单元包括：至少两个控制器，如图2中所示的控制器101～控制器10n、选择电路110和收发器120。

所述控制器101～控制器10n均适于在接收到的信号的优先级高于发送的信号的优先级时停止发送信号，否则继续发送信号至选择电路110。

所述选择电路110，适于将所述控制器101～控制器10n发送的信号中优先级最高的信号发送至所述收发器120。

所述收发器120，适于将总线400上的信号发送至所述控制器101～控制器10n，并将所述选择电路110发送的信号发送至所述总线400。

在具体实施例中，所述总线400为可以CAN总线。所述CAN总线为光纤或双绞线，本发明对此不做限制。

下面再结合图3以所述总线400为CAN总线为例，对所述控制器的工作原理做详细说明。

以下实例中CAN总线是以报文为单位进行数据传输的，CAN总线上发送的每一条报文中都含有唯一的标识符（一般为11位或29位）。具有最小二进制数的标识符的节点具有最高的优先级，也就是说，一个为全“0”标志符的报文具有总线上的最高优先级。

另外，当CAN总线处于空闲状态时呈隐性电平“1”，此时任何控制器均可以向总线发送显性电平“0”作为帧的开始。如果两个或两个以上的控制器同时向CAN总线发送数据时就会产生竞争。此时CAN总线系统按位对标识符进行仲裁。各控制器在向总线发送信号的同时，也对总线上的信号进行读取，并与自身发送的信号进行比较，如果信号相同则继续发送下一位，不同则停止发送退出总线竞争。剩余的控制器继续上述过程，直到总线上只剩下一个控制器发送的信号，总线竞争结束，优先级最高的控制器获得总线的控制权。

参考图3，假设所述节点单元包括两个控制器，如控制器101和控制器102。并且，在某一时刻，所述控制器101和控制器102同时向总线400发送信号，发送的信号的时序如图3所示。再假设总线系统中低电平信号“0”的优先级高于高电平信号“1”的优先级。

参考图3，T1阶段，所述控制器101和控制器102发送的信号均为高电平信号“1”：

由于所述控制器101和控制器102发送的信号的优先级相同（均为高电平信号“1”），因此所述选择电路110选择将高电平信号“1”发送至收发器120。

所述收发器120将选择电路110发送的高电平信号“1”（逻辑电平）转换为总线所需的差分信号后发送至总线400。

所述收发器120还适于对总线400上的信号进行监听。也就是说，所述收发器120在将选择电路110发送的信号发送至总线400的同时也对所述总线400上的电平进行读取，即所述收发器120将选择电路110发送的信号发送至总线400，并将该信号再采样回来。

继续参考图3，在T1阶段，所述收发器120在发送高电平信号“1”至总线400的同时，读取到总线400上的电平对应于高电平信号“1”，所述收发器120分别发送读取到的高电平信号“1”至所述控制器101和控制器102。

所述控制器101判断接收到的高电平信号“1”与发送的高电平信号“1”之间的优先级，由于接收到的信号的优先级等于发送的信号的优先级，因此，控制器101可以继续发送信号。

同样的，所述控制器102判断接收到的高电平信号“1”与发送的高电平信号“1”之间的优先级后，也继续发送信号。

T2阶段，所述控制器101和所述控制器102发送的信号均为低电平信号“0”：

与T1阶段类似的，选择电路110在接收到所述控制器101和控制器102发送的低电平信号“0”时，选择将低电平信号“0”发送至所述收发器120。

所述收发器120将所述低电平信号“0”转换为总线400所需的差分信号后发送至总线400；并读取总线400上的电平，将低电平信号“0”分别发送至所述控制器101和控制器102。

所述控制器101和所述控制器102分别判断接收到的信号与发送的信号之间的优先级后均继续发送信号。

继续参考图3，T3阶段，所述控制器101和所述控制器102均发送高电平信号“1”：该阶段中，所述控制器101、控制器102、选择电路110、收发器120的工作过程与T1阶段相类似，在此不再赘述。

所述控制器101和所述控制器102继续发送信号。

T4阶段，所述控制器101发送的信号为高电平信号“1”，所述控制器102发送的信号为低电平信号“0”：

由于低电平信号“0”的优先级高于高电平信号“1”的优先级，因此所述选择电路110在接收到所述控制器101发送的高电平信号“1”和所述控制器102发送的低电平信号“0”时，仅将所述控制器102发送的优先级高的低电平信号“0”发送至收发器120。

然后，由所述收发器120将选择电路110发送的低电平信号“0”转换为总线400所需的差分信号后发送至总线400。

所述收发器120同时读取总线400上的电平，将低电平信号“0”分别发送至所述控制器101和控制器102。

所述控制器101接收到的信号为低电平信号“0”，而发送的信号为高电平信号“1”，由于接收到的信号的优先级高于发送的信号的优先级，因此所述控制器101停止发送信号。

所述控制器102接收到的信号为低电平信号“0”，而发送的信号也为低电平信号“0”，接收到的信号的优先级等于发送的信号的优先级，因此所述控制器102可以发送信号。

在T5阶段，所述控制器101退出总线竞争，由所述控制器102取得总线控制权，继续发送后续信号，如图3所示的高电平信号“1”。

由图3和前述对控制器101和控制器102的工作原理的分析可知，本发明技术方案的总线系统，当两个以上的控制器同时向总线发送信号，即产生总线冲突时，总线系统会实时地检测这些冲突并对其进行仲裁，换句话说，本发明技术方案的总线系统中，控制器在发送信号的同时也对信号进行仲裁，不会由于仲裁而导致信号传输的延时，从而使具有高优先级的数据可以实时的且不受任何损坏的传输，从而提高了数据传输的速度。

图4示出了图2中所述选择电路的一种实现方式的结构示意图。参考图4，所述选择电路110包括：具有多个输入端的与门112和上拉单元111。

所述与门112的各个输入端与该节点单元中各个控制器（控制器101～控制器10n）的输出端一一对应连接。

所述上拉单元111适于在控制器（控制器101～控制器10n）停止发送信号时将与所述停止发送信号的控制器相连接的与门112的输入端上拉至高电平。

具体的，参考图4，所述上拉单元111可以包括：多个电阻R11～R1n，所述多个电阻R11～R1n的第一端均连接至电源电压VCC，所述多个电阻R11～R1n的第二端与所述与门112的各个输入端一一对应连接。

所述控制器101～控制器10n发送的信号包括高电平信号“1”和低电平信号“0”。以所述控制器101为例，所述上拉单元111的工作原理为：

当所述控制器101发送的信号为高电平信号“1”时，所述上拉单元111中与所述控制器101相连的电阻的第二端为高电平，此时，与所述控制器101对应连接的与门112的输入端接收到的信号也为高电平信号“1”。

当所述控制器101发送的信号为低电平信号“0”时，所述上拉单元111中与所述控制器101相连的电阻的第二端为低电平，此时，与所述控制器101对应连接的与门112的输入端接收到的信号也为低电平信号“0”。

当所述控制器101停止发送信号时，所述控制器101的输出端处于悬空状态，此时所述上拉单元111中与所述控制器101相连的电阻将所述控制器101的输出端，即与所述控制器101对应连接的与门112的输入端上拉至高电平信号“1”。

上拉单元111中其他电阻的工作原理和与所述控制器101相连的电阻的工作原理相类似，在此不再赘述。

各个控制器发送的信号经过所述上拉单元111后被所述与门112接收，并进行“与”操作。

由上述分析可知，在所述控制器101～控制器10n发送信号时，所述上拉单元111不会改变发送的信号，从而保证了发送的信号的准确性，因此，所述与门112在进行“与”操作时也可以保持发送的信号的准确性。另一方面，在所述控制器101～控制器10n停止发送信号时，所述上拉单元111将停止发送信号的控制器101的输出端上拉至高电平信号“1”，因此，所述与门112在进行“与”操作时也会保证具有高优先级的信号被正确发送。

图5示出了图2中所述选择电路另一种实现方式的结构示意图。参考图5，与图4所示选择电路实现方式的区别在于：所述选择电路包括上拉单元113。

所述上拉单元113包括：电阻R1和多个开关单元，所述电阻R1的第一端连接电源电压VCC，所述电阻R1的第二端连接所述多个开关单元的第一端；所述多个开关单元的第二端与所述与门112的各个输入端以及该节点单元中各个控制器的输出端一一对应连接；所述多个开关单元适于在与其相连接的控制器停止发送信号时导通。

当控制器发送信号时，与其对应连接的开关单元断开，所述控制器发送的信号由所述与门112接收，并与其他信号进行“与”操作；而当控制器未发送信号或者停止发送信号时，与其对应连接的开关单元导通，此时，电阻R1的第二端与该控制器的输出端相连，并将该控制器的输出端上拉至高电平信号“1”，这样，所述与门112在对接收到的多个信号进行“与”操作时，不会破坏信号的真实性。

所述多个开关单元可以采用MOS管来实现，由于MOS管的所占面积远小于电阻所占用的面积，因此，图5所示的选择电路较之图4所示的选择电路的占用面积要小得多，从而提高了选择电路的集成性。

实施例一的总线系统中，多个控制器通过一个选择电路与一个收发器对应连接，这样就减少了总线系统中收发器的数量；并且由于总线系统中选择电路的结构比较简单，因此简化了总线系统的结构，并且降低了总线系统的成本。

图6示出了本发明总线系统实施例二的结构示意图。本实施例中，所述总线400为CAN总线。参考图6，本实施例与图2所示实施例一的区别在于：图6所示的总线系统包括：节点单元1和节点单元2。

所述节点单元1包括至少两个控制器，如控制器101～控制器10n、选择电路110和收发器120；所述节点单元2包括：控制器201～控制器20n、选择电路210和收发器220。

所述控制器101～控制器10n、控制器201～控制器20n、选择电路110、选择电路210、收发器120和收发器220分别与图2所示实施例一中的相应单元类似，在此不再赘述。

当只有节点单元1或者只有节点单元2向所述总线400发送信号时，所述节点单元1或所述节点单元2的工作过程与实施例一的节点单元相类似，在此不再赘述。

下面仅就节点单元1和节点单元2同时向所述总线400发送信号时所述总线系统的工作过程做详细说明。

为了方便描述，首先假设节点单元1中的控制器101和节点单元2中的控制器201同时向所述总线400发送信号。再假设所述控制器101和控制器201发送的信号时序如图7所示。

参考图6和图7，t1阶段，所述控制器101和所述控制器201均发送高电平信号“1”：

所述选择电路110将所述控制器101发送的高电平信号“1”选择输出至所述收发器120，所述收发器120将高电平信号“1”发送至总线400。类似的，所述选择电路210将所述控制器201发送的高电平信号“1”选择输出至所述收发器220，所述收发器220将高电平信号“1”发送至所述总线400。

所述总线400基于所述收发器120和收发器220发送的高电平信号“1”，显示为高电平；所述收发器120和所述收发器220同时读取所述总线400上的电平，并将高电平信号“1”发送至所述控制器101和控制器201。

所述控制器101判断接收到的高电平信号“1”与发送的高电平信号“1”之间的优先级，由于接收到的信号的优先级等于发送的信号的优先级，因此，所述控制器101可以继续发送信号。

类似的，所述控制器201判断接收到的高电平信号“1”的优先级与发送的高电平信号“1”的优先级相同，因此，所述控制器201也可以继续发送信号。

在t2阶段，所述控制器101发送的信号为低电平信号“0”，所述控制器201发送的信号为高电平信号“1”：

所述选择电路110将所述控制器101发送的低电平信号“0”选择输出至所述收发器120，所述收发器120将低电平信号“0”发送至总线400。所述选择电路210将所述控制器201发送的高电平信号“1”选择输出至所述收发器220，所述收发器220将高电平信号“1”发送至所述总线400。

所述总线400基于所述收发器120发送的低电平信号“0”和所述收发器220发送的高电平信号“1”，显示为低电平；所述收发器120和所述收发器220同时读取所述总线400上的电平，并将低电平信号“0”发送至所述控制器101和控制器201。

所述控制器101判断接收到的低电平信号“0”与发送的低电平信号“0”之间的优先级，由于接收到的信号的优先级等于发送的信号的优先级，因此，所述控制器101可以继续发送信号。

所述控制器201判断接收到的低电平信号“0”的优先级高于发送的高电平信号“1”的优先级，因此，所述控制器201停止发送信号。

也就是说，所述控制器201退出总线竞争，由优先级更高的控制器101继续发送信号，例如图7所示，所述控制器101在t3阶段继续发送高电平信号“1”。与t1阶段类似的，所述控制器101在t3阶段接收到的信号为高电平信号“1”。

本实施例中，所述总线400为CAN总线。当两个节点单元同时向总线400发送信号时，所述总线400上显示的电平与两个节点单元发送的优先级高的信号相对应。这样，优先级较低的控制器停止发送信号，由优先级高的控制器继续取得总线控制权。

实施例二的总线系统中，各个节点单元中的多个控制器对应于一个收发器，因此减少了总线系统中的收发器的数量，降低了总线系统的成本。

上述两个实施例中总线系统包括的节点单元分别为一个和两个，但是本发明对总线系统中节点单元的数量不做限制，也就是说，在其他实施例中所述总线系统还可以包括两个以上的节点单元。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种总线系统，其特征在于，包括：至少一个节点单元，所述节点单元包括：

至少两个控制器，所述控制器适于在接收到的信号的优先级高于发送的信号的优先级时停止发送信号，否则继续发送信号至选择电路；

选择电路，适于将所述至少两个控制器发送的信号中优先级最高的信号发送至收发器；

收发器，适于将总线上的信号发送至各个控制器，并将所述选择电路发送的信号发送至所述总线。

2.如权利要求1所述的总线系统，其特征在于，所述选择电路包括：具有多个输入端的与门和上拉单元，

所述与门的各个输入端与该节点单元中各个控制器的输出端一一对应连接；

所述上拉单元适于在控制器停止发送信号时将与停止发送信号的控制器相连接的与门的输入端上拉至高电平。

3.如权利要求2所述的总线系统，其特征在于，所述上拉单元包括：多个电阻，所述多个电阻的第一端均连接至电源电压，所述多个电阻的第二端与所述与门的各个输入端一一对应连接。

4.如权利要求2所述的总线系统，其特征在于，所述上拉单元包括：电阻和多个开关单元，

所述电阻的第一端连接电源电压，所述电阻的第二端连接所述多个开关单元的第一端；

所述多个开关单元的第二端与该节点单元中各个控制器的输出端一一对应连接；所述多个开关单元适于在与其相连接的控制器停止发送信号时导通。

5.如权利要求1所述的总线系统，其特征在于，所述总线为CAN总线。

6.如权利要求5所述的总线系统，其特征在于，所述CAN总线为光纤或双绞线。