CN105790844B - 一种通用的支持多种拓扑的光纤通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体的说是一种通用的并且支持多种通信拓扑的光纤通信方法。本发明在通信链路中的每个电通信节点上连接到一个适配器的LP端口，所述适配器用于将电通信节点上二值化的电信号数据转换为两路光信号，所述两路光信号分别通过OP1、OP2端口发送给与该适配器通过光纤相连的适配器，所述适配器还接收相连的其他适配器发送的光信号，该适配器的信号处理过程包括以下步骤：当LP端口需要发送数据的时候，同时使用OP1、OP2发送数据；当OP1、OP2两端口的任一路接收到数据时，直接发至另一端口和LP端口；当OP1或OP2其中的一个端口进入接收状态时，接收完毕后进入禁止接收状态；在从接收数据开始直至数据接收完成之后的禁止接收状态的时间内，另一个端口停止接收数据。

Description

一种通用的支持多种拓扑的光纤通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体的说是一种通用的并且支持多种通信拓扑的光纤通信方法。

背景技术

在现场总线通信媒介中，常用的传输介质有双绞线、电力系统、同轴电缆等。传统的电通信介质布线较复杂，抗干扰能力相对较差，且对于拓扑结构的支持比较单一。相对于传统的电信号传输，光纤通信有着传输速率高、信道容量大、传输距离远、损耗低、抗干扰能力强等优点。近年来，光通信技术在高速现场总线通信领域的应用已成为一个研究热点。并且在很多场合得到了应用。随着现场总线网络化的发展趋势，需要通信系统能够支持包括总线型、星系、环形、混合型在内的多种网络拓扑结构。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种通用的并且支持多种通信拓扑的光纤通信方法，使用一片FPGA，在FPGA内部实现了数据接收及转发功能。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种通用的支持多种拓扑的光纤通信方法，在通信链路中的每个电通信节点上连接到一个适配器的LP端口，所述适配器用于将电通信节点上二值化的电信号数据转换为两路光信号，所述两路光信号分别通过OP1、OP2端口发送给与该适配器通过光纤相连的适配器，所述适配器还接收相连的其他适配器发送的光信号，该适配器的信号处理过程包括以下步骤：

当LP端口需要发送数据的时候，同时使用OP1、OP2发送数据；

当OP1、OP2两端口的任一路接收到数据时，直接发至另一端口和LP端口；

当OP1或OP2其中的一个端口进入接收状态时，接收完毕后进入禁止接收状态；在从接收数据开始直至数据接收完成之后的禁止接收状态的时间内，另一个端口停止接收数据。

当OP1或OP2其中的一个端口进入发送状态时，发送完毕后进入禁止接收状态；在从发送数据开始直至数据发送完成之后的禁止接收状态的时间内，另一个端口停止接收数据。

所述将电通信节点上二值化的电信号数据转换为光信号，具体为：将高电平和低电平信号转换为有频率差异的光信号。

所述有频率差异的光信号频率分别为60MHZ和150MHZ，对应于高电平和低电平。

在适配器构成单环拓扑通信系统中，所述禁止接收状态的时长设为大于光信号在整个单环中传输一圈的时长；

在适配器构成双环拓扑通信系统中，所述禁止接收状态的时长设为大于长路径的传输时间与短路径传输的时间之差；所述长路径为数据发出点和数据碰撞点之间的两条传输路径中的较长路径；所述短路径为数据发出点和数据碰撞点之间的两条传输路径中的较短路径。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.具有很强的通用性，几乎所有采用串行通信的系统都可以采用本系统来实现光通信。

2.支持多种拓扑结构，并具有一定的自适应功能。对双环网拓扑的支持提供了通信系统的可靠性。

3.不进行数据帧的处理，具有较小的通信延迟，实时性好。

附图说明

图1为本发明通用电转光通信系统结构图；

图2为本发明通用电转光通信系统支持的拓扑结构图；

(a)双环(b)单环(c)总线型

图3为本发明实施例中双环拓扑的发送延迟图；

图4为本发明方法通信模块结构图；

图5为本发明方法实施验证使用的拓扑结构图；

图6为本发明实施验证采集到的波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，在通信链路中的每个电通信节点上连接到一个适配器的LP端口，所述适配器用于将电通信节点上二值化的电信号数据转换为两路光信号，所述两路光信号分别通过OP1、OP2端口发送给与该适配器通过光纤相连的适配器，所述适配器还接收相连的其他适配器发送的光信号。

如图4所示，本系统的节点模块采用FPGA实现。为了能够获得线路的直流平衡，本系统采用移频键控FSK(Frequency-Shift Keying)方式进行光路数据的发送。是一种利用频率差异的信号来传送资料的调制方式。本设计使用的FSK为二进制FSK(BFSK，binaryFSK，或称2FSK)。BFSK用两个离散的频率分别代表不同的二进制信号(0和1)。本系统采用12M晶振作为输入，经过内部PLL倍频，获得150M及60M两种频率。60M频率的信号作为高电平1信号，150M为低电平0信号。在进行数据发送的时候，只需要将串行化的数据进行判别，如果bit位是0，则通过光口输出150M频率信号，否则输出60M频率信号。

在透明传输方式中通过本地通信端口写入的数据通过Serializer进行串行化，然后传递至光口的Freq Gen频率发生部分，频率信号生成部分会根据串行数据信号发送不同的频率传送至光口。Sample部分采样通过光纤收到的信号。并辨别其频率，将结果传送至本地的Deserializer和另一光口的频率发生部分。

Sample部分对光口数据以600M的速率进行采样，来辨别链路的信号。实验使用的EP4CE10的spped gread是c8内部可以正常运行的最高速率是402M。此部分通过两路相位差为90°的两路150M时钟，同时，在两路的上升沿和下降沿进行采样，达到600M采样的效果。以600M的速率采样理想的150M方波，得到的数据应该是…00110011…的连续序列，为了提高采样结果的容错性，在实际运行中，如得到…101…、…010…表示采样信号频率略高于150M的脉冲，或采集到…01110…、…10001…序列表示略低于150M的信号，也认为当前链路是150M的方波。当链路出现60M频率的时候，链路的采样序列应为…00000111110000011111…链路是无法出现150M方波的特征序列，以此实现正确的还原数据。

图2所示为通用电转光通信系统支持的几种网络拓扑。其中双环拓扑是最复杂的一种，其他的几种都可以看做是双环拓扑的简化。我们首先分析双环拓扑情况的通信处理方法。图中节点0通过右侧链路发送的数据在时刻1000ns时到达节点3，随后进入Deaftime，在接收数据的同时，将数据往节点4转发。而通过左侧链路在时刻1000ns时，已经通过了节点4，还未到达节点3。节点4也进入了deaf time。所以当数据传输在节点3和4之间发生碰撞之后，停止继续传输。系统被分割成了容易操作的总线型。

如图3所示，需要对deaf time的时长进行设定：数据最早到达节点3的时间是1000ns，同时进入Deaf time。随后收到节点4发送的信号到达节点3的时间是1300ns。那么通过节点4发送的数据在节点3数据接收完毕之后，还将会出现1300ns-1000ns＝300ns所以将其deaf time设置大于300ns即可。同理，数据最早到达节点4的时间是800ns，在1500ns时刻，从节点3发送的数据到达节点4。节点4的时间设置为大于1500ns-800ns＝700ns的时间即可。但这需要基于下一次任意节点启动发送数据的间隔时间远大于此延时的基础上。

但是在实际使用中无法每次都去修改这个参数值，所以，我们期望把这个值设置的更大一些，来适应两模块间距离比较远的数据通信情形。在PROFIBUS中有一个名为TSDR参数。TSDR是一个比较短的从站响应延迟，它是在从站接收到帧之后，到从站产生应答帧之前延迟的时间。所以在TSDR这个时间内返回消息是不会传回来的，传回来的消息只可能是自己发送的消息经过环网一圈之后到达另一个端口。所以不用接收。典型的TSDR是11位的UART字符时间。现场总线的最高速度为12Mbps所以最小站延迟时间约为913us(11位*1秒/12Mbps)。我们使用这个参数作为deaf time来满足所有条件的需求。光信号在光纤中的传输速度约为20ns/m，913us可以传输大约45KM的距离，可以把45KM看做环的周长，已能满足多数应用，在一些少数的条件苛刻的通信系统中，通信环的距离更大的时候，可以降低通信速率增大这个参数即可。

在图3中，我们发现数据在节点3和节点4之间发生碰撞的时候就已经停止转发了，所以只需要使接收光链路数据的3和4进入deaf time即可，数据不会返回到节点0处。此次通信的发起者节点0似乎不需要进入deaf time，但是当链路出现故障链路退化成单纤环网的时候如图2(b)，数据将会经过环网一周返回至发送节点，所以，光口在数据发送结束也需要进入deaf time。

这样，在进行数据接收的时候，GETO模块处理从数据先到达的端口接收数据。同时通用电转光通信系统自动选择了最短路径进行通信。

当链路中的某段光纤出现故障的时候，拓扑退化为总线型结构，这个过程也可以成为自愈过程。比如当节点4和节点5之间的链路出现故障，则节点4发送或者接收的数据。

如图5、6所示，对本方法进行了实施验证。图5为实施使用的拓扑结构图，包括节点0、1、2，CH1和CH2表示每个节点的两个通道。图6是实施验证采集到的波形图。

Claims (4)

1.一种通用的支持多种拓扑的光纤通信方法，其特征在于，在通信链路中的每个电通信节点上连接到一个适配器的LP端口，该适配器用于将电通信节点上二值化的电信号数据转换为两路光信号，所述两路光信号分别通过OP1、OP2端口发送给与该适配器通过光纤相连的适配器，该适配器还接收相连的其他适配器发送的光信号，该适配器的信号处理过程包括以下步骤：

当LP端口需要发送数据的时候，同时使用OP1、OP2发送数据；

当OP1、OP2两端口的任一路接收到数据时，直接发至另一端口和LP端口；

当OP1或OP2其中的一个端口进入接收状态时，接收完毕后进入禁止接收状态；在从接收数据开始直至数据接收完成之后的禁止接收状态的时间内，另一个端口停止接收数据。

当OP1或OP2其中的一个端口进入发送状态时，发送完毕后进入禁止接收状态；在从发送数据开始直至数据发送完成之后的禁止接收状态的时间内，另一个端口停止接收数据。

2.根据权利要求1所述的一种通用的支持多种拓扑的光纤通信方法，其特征在于，所述将电通信节点上二值化的电信号数据转换为光信号，具体为：将高电平和低电平信号转换为有频率差异的光信号。

3.根据权利要求2所述的一种通用的支持多种拓扑的光纤通信方法，其特征在于，所述有频率差异的光信号频率分别为60MHZ和150MHZ，对应于高电平和低电平。

4.根据权利要求1所述的一种通用的支持多种拓扑的光纤通信方法，其特征在于，在适配器构成单环拓扑通信系统中，所述禁止接收状态的时长设为大于光信号在整个单环中传输一圈的时长；

在适配器构成双环拓扑通信系统中，所述禁止接收状态的时长设为大于长路径的传输时间与短路径传输的时间之差；所述长路径为数据发出点和数据碰撞点之间的两条传输路径中的较长路径；所述短路径为数据发出点和数据碰撞点之间的两条传输路径中的较短路径。