CN108924025A - 携能现场总线模块及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种携能现场总线模块及其系统，携能现场总线模块，由Po‑CAN总线收发器和Po‑CAN总线终端组成，携能现场总线系统包括携能现场总线模块，其中，Po‑CAN总线收发器、设备内部电源系统、电源和CAN总线控制器构成一个Po‑CAN节点，在携能现场总线系统的Po‑CAN总线/电源线上有N个并联的Po‑CAN节点，所述Po‑CAN总线终端的供电端连接携能现场总线系统的供电电源或者不连接携能现场总线系统的供电电源。本发明在保持与CAN总线系统兼容的条件下，在一对传输线上同时传输数据又能传递电源，且具备自我侦听功能，从而实现与标准CAN总线收发器在物理层的兼容，应用中无需改动协议层和应用层。

Description

携能现场总线模块及其系统
技术领域
本发明属于CAN总线通信技术领域，特别是涉及一种携能现场总线模块及其系统。
背景技术
CAN总线(Controller Area Network)是目前应用最广的现场总线之一，不仅被广泛用在工业控制和汽车电子系统，在航天运载、航空飞行器、武器系统也被广泛采纳。虽然总线系统省去了并行的电缆，但由于现场总线最少仍需要四线(电源双线，差分数据双线)，在载荷重量和空间极为有限的应用场景，例如航天器/飞行器中内，若希望进一步节省空间和体积，仍然会受到电缆数量的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种携能现场总线模块及其系统，解决了现有技术中现场总线最少仍需要四线，受到电缆数量的限制的问题。
本发明所采用的技术方案是，携能现场总线模块，由Po-CAN总线收发器和Po-CAN总线终端组成；
所述Po-CAN总线收发器，用于对Po-CAN总线/电源线上的数据进行调制和解调，并完成数据调制和Po-CAN总线/电源线的供电电源的复用；
所述Po-CAN总线终端，用于实现数据信号和Po-CAN总线/电源线的供电电源的隔离，防止数据信号传入Po-CAN总线/电源线的供电电源内；并起到信号吸收作用，将传递到Po-CAN总线/电源线末端的信号吸收，避免其二次反射。
进一步的，所述Po-CAN总线收发器，由第一电源滤波器、电源变换模块、逻辑接口、UWB脉冲成型调制器、UWB发射信号驱动器、第一隔离耦合器、第二隔离耦合器、UWB接收信号放大器、UWB脉冲检测解调器组成；
所述第一电源滤波器，用于阻隔Po-CAN总线/电源线的供电电源上的UWB即超宽带信号，阻止UWB信号进入设备内部电源系统；
所述电源变换模块，用于提供Po-CAN总线收发器内所有电路的稳压电源，并提供UWB脉冲所需的高电压；
所述逻辑接口，用于对TXD数据和RXD数据进行整型，使之成为标准晶体管-晶体管逻辑电平的数字信号；
所述UWB脉冲成型调制器，用于将逻辑接口整型的TXD数据转换成超宽带脉冲信号，传输至UWB发射信号驱动器；
所述UWB发射信号驱动器，用于将超宽带脉冲信号进行幅值放大，并传输至第一隔离耦合器；
所述第一隔离耦合器，用于将放大的超宽带脉冲信号耦合至Po-CAN总线/电源线上；
所述第二隔离耦合器，用于感应Po-CAN总线/电源线上携带的调制信息，并将信号传输至UWB接收信号放大器；
所述UWB接收信号放大器，用于放大第二隔离耦合器接收的信号，并传输至UWB脉冲检测解调器；
所述UWB脉冲检测解调器，用于对UWB接收信号放大器输出的信号进行判决和解调，还原数据波形并传送给逻辑接口。
进一步的，所述Po-CAN总线终端由第二电源滤波器、第三隔离耦合器和终端电阻组成。
所述第二电源滤波器，用于对Po-CAN总线/电源线的供电电源中特定频率的频点进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号；
所述终端电阻，用于吸收UWB信号传至Po-CAN总线/电源线末端能量，避免产生二次反射；
所述第三隔离耦合器，用于将终端电阻和直流电源隔离开，避免终端电阻吸收Po-CAN总线/电源线的供电电源上的能量。
本发明所采用的另一种技术方案是，携能现场总线系统，所述系统包括携能现场总线模块，其中，所述Po-CAN总线收发器、设备内部电源系统、电源和CAN总线控制器构成一个Po-CAN节点，在携能现场总线系统的Po-CAN总线/电源线上有N个并联的Po-CAN节点，所述Po-CAN总线终端的供电端连接携能现场总线系统的供电电源或者不连接携能现场总线系统的供电电源。
进一步的，所述电源为+5V电源，电源分别与设备内部电源系统和CAN总线控制器相连接，Po-CAN总线收发器上的P/D+脚连接至携能现场总线系统外部Po-CAN总线/电源线正极；P/D-脚连接至携能现场总线系统外部Po-CAN总线/电源线负极；P+脚连接至设备内部电源系统电源线正极；P-脚连接至设备内部电源系统电源线负极；TXD脚即数据发送脚，连接至CAN总线控制器的数据发送端；RXD脚即数据接收脚，连接至CAN总线控制器的数据接收端；VCC脚即电源输入引脚，连接至+5V电源；GND脚即电源接地引脚，连接至携能现场总线系统的地；
所述Po-CAN总线终端的P/D+脚连接至携能现场总线系统外部总线/电源线正极；P/D-脚连接至携能现场总线系统外部总线/电源线负极。
本发明的有益效果是：(1)相比传统CAN总线网络，本发明能够节省50％的导线和连接器接头数量；(2)实现与标准CAN总线收发器兼容的集成化接口组件，且具备自我侦听功能，从而实现与标准CAN总线收发器在物理层的兼容，应用中无需改动协议层和应用层；(3)采用UWB通信机制，附加的转发时延极低，在100ns以内，速率高达10Mbps，支持新型的高速CAN总线。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是Po-CAN总线收发器示意图；
图2是Po-CAN总线终端示意图；
图3a是携能现场总线系统拓扑图一；
图3b是携能现场总线系统拓扑图二。
图中，1.Po-CAN总线收发器，2.Po-CAN总线终端，1-1.第一电源滤波器，1-2.电源变换模块，1-3.逻辑接口，1-4.UWB脉冲成型调制器，1-5.UWB发射信号驱动器，1-6.第一隔离耦合器，1-7.第二隔离耦合器，1-8.UWB接收信号放大器，1-9.UWB脉冲检测解调器，2-1.第二电源滤波器，2-2.第三隔离耦合器，2-3.终端电阻。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
携能现场总线(Power Over CAN)模块，Power Over CAN记为Po-CAN，由Po-CAN总线收发器1和Po-CAN总线终端2组成；
Po-CAN总线收发器1，用于对Po-CAN总线/电源线上的数据进行调制和解调，并完成数据调制和Po-CAN总线/电源线的供电电源的复用；
Po-CAN总线终端2，用于实现数据信号和Po-CAN总线/电源线的供电电源的隔离，防止数据信号传入Po-CAN总线/电源线的供电电源内；并起到信号吸收作用，将传递到Po-CAN总线/电源线末端的信号吸收，避免其二次反射。
实际应用中，Po-CAN总线收发器1替代传统的CAN收发器接口IC，Po-CAN总线终端2则替代终端电阻使用。
Po-CAN总线收发器1，由第一电源滤波器1-1、电源变换模块1-2、逻辑接口1-3、UWB脉冲成型调制器1-4、UWB发射信号驱动器1-5、第一隔离耦合器1-6、第二隔离耦合器1-7、UWB接收信号放大器1-8、UWB脉冲检测解调器1-9组成；
第一电源滤波器1-1，用于阻隔Po-CAN总线/电源线的供电电源上的UWB即超宽带信号，阻止UWB信号进入设备内部电源系统；
电源变换模块1-2，用于提供Po-CAN总线收发器1内所有电路的稳压电源，并提供UWB脉冲所需的高电压；
逻辑接口1-3，用于对TXD数据和RXD数据进行整型，使之成为标准TTL电平(晶体管-晶体管逻辑电平)的数字信号；
UWB脉冲成型调制器1-4，用于将逻辑接口1-3整型的TXD数据转换成超宽带脉冲信号，传输至UWB发射信号驱动器1-5；
UWB发射信号驱动器1-5，用于将超宽带脉冲信号进行幅值放大，并传输至第一隔离耦合器1-6；
第一隔离耦合器1-6，用于将放大的超宽带脉冲信号耦合至Po-CAN总线/电源线上；
第二隔离耦合器1-7，用于感应Po-CAN总线/电源线上携带的调制信息，并将信号传输至UWB接收信号放大器1-8；
第一隔离耦合器1-6和第二隔离耦合器1-7，实现了整个信号处理部分与Po-CAN总线/电源线之间的电气隔离；
UWB接收信号放大器1-8，用于放大第二隔离耦合器1-7接收的信号，并传输至UWB脉冲检测解调器1-9；
UWB脉冲检测解调器1-9，用于对UWB接收信号放大器1-8输出的信号进行判决和解调，还原数据波形并传送给逻辑接口1-3。
Po-CAN总线收发器1的内部原理如图1所示，为了实现调制数据和Po-CAN总线/电源线的供电电源的复用，采用了UWB脉冲调制的方法，将信息叠加在Po-CAN总线/电源线上，具体的工作原理和过程如下：
TXD数据首先经过逻辑接口1-3整型，再经过UWB脉冲成型调制器1-4转换成超宽带脉冲信号，由UWB发射信号驱动器1-5进行功率放大，最后通过第一隔离耦合器1-6将信息耦合至Po-CAN总线/电源线上，以电源纹波的形式在Po-CAN总线/电源线上传播，Po-CAN总线/电源线上携带的调制信息，被第二隔离耦合器1-7感应后，经过UWB接收信号放大器1-8放大后，采用UWB脉冲检测解调器1-9进行脉冲检测解调，接收数据经过逻辑接口1-3整型后由RXD输出；
第一电源滤波器1-1，用于隔离UWB信号，阻止其进入设备内部电源系统，也减轻电源纹波对UWB信号的干扰；
电源变换模块1-2提供所有电路的稳压电源，以及UWB脉冲成型所需的高压电源。
采用的UWB脉冲调制信号的频谱极宽，其频谱平均功率很低，且总发射功率很低，对其他设备的干扰很小，而且宽带的UWB脉冲信号在相关域具有非常集中的能量峰，能够明显区别于设备的电源纹波信号和其他任何非相关干扰，因此具有极强的抗干扰能力。
Po-CAN总线终端2由第二电源滤波器2-1、第三隔离耦合器2-2和终端电阻2-3组成，如图2所示，
第二电源滤波器2-1，用于对Po-CAN总线/电源线的供电电源中特定频率的频点进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号；
终端电阻2-3，用于吸收UWB信号传至Po-CAN总线/电源线末端能量，避免产生二次反射；
第三隔离耦合器2-2，用于将终端电阻2-3和直流电源隔离开，避免终端电阻2-3吸收Po-CAN总线/电源线的供电电源上的能量。
在CAN总线的基础上增加对设备的供电支持，携能现场总线系统，包括携能现场总线模块，携能现场总线系统的Po-CAN总线/电源线上有N个并联的Po-CAN节点，每个Po-CAN节点内部均设有Po-CAN总线收发器1、设备内部电源系统、+5V电源和CAN总线控制器，+5V电源分别与设备内部电源系统和CAN总线控制器相连接，Po-CAN总线收发器1上的P/D+脚连接至携能现场总线系统外部Po-CAN总线/电源线正极；P/D-脚连接至携能现场总线系统外部Po-CAN总线/电源线负极；P+脚连接至设备内部电源系统电源线正极；P-脚连接至设备内部电源系统电源线负极；TXD脚即数据发送脚，连接至CAN总线控制器的数据发送端；RXD脚即数据接收脚，连接至CAN总线控制器的数据接收端；VCC脚即电源输入引脚，连接至+5V电源；GND脚即电源接地引脚，连接至携能现场总线系统的地；每个Po-CAN节点内部的设备内部电源系统为内部进行供电，
CAN总线控制器与处理器(CPU)连接，CPU要发出的数据，需先发给CAN总线控制器，再由Po-CAN总线收发器1发送出去；接收过程则相反；
在差分总线的终端要求匹配电阻以避免反射，由于总线带有直流电源，不能采用常规的终端电阻形式，Po-CAN总线终端2接入携能现场总线系统有两种方式；
第一种使用方式如图3a所示：Po-CAN总线终端2的P/D+脚连接至携能现场总线系统外部总线/电源线正极；P/D-脚连接至携能现场总线系统外部总线/电源线负极，Po-CAN总线终端2的供电端悬空，不接供电电源，仅实现反射吸收功能；
第二种使用方式如图3b所示：Po-CAN总线终端2的P/D+脚连接至携能现场总线系统外部总线/电源线正极；P/D-脚连接至携能现场总线系统外部总线/电源线负极；Po-CAN总线终端2的供电端连接携能现场总线系统的供电电源；其内部同时完成了对UWB信号的滤波隔离以及反射信号吸收的双重功能；
第二种使用方式携能现场总线系统的工作原理：电源从Po-CAN总线终端2的供电端输入，经过Po-CAN总线终端2的滤波和隔离后，向整条Po-CAN总线/电源线实施供电；每一个Po-CAN节点内部的Po-CAN总线收发器1，均获得了电源输入；在每一个Po-CAN总线收发器1内部，通过第一电源滤波器1-1将数据信号去除并将直流电源分离出来，向设备内部电源系统供电，当Po-CAN节点发送数据时，将UWB调制信号耦合加载至Po-CAN总线/电源线上，以电源纹波的形式在Po-CAN总线/电源线上向所有设备传输，当UWB信号传输至Po-CAN总线/电源线两个端头时，被Po-CAN总线终端2吸收，不再反射回Po-CAN总线/电源线，从而完成数据发送过程；当一个Po-CAN节点感应到Po-CAN总线/电源线上叠加的UWB信号时，通过Po-CAN节点内部的Po-CAN总线收发器1进行耦合、放大、解调，输出数据给Po-CAN节点内部，从而完成数据接收的过程。
Po-CAN总线/电源线将电源线和数据线合二为一，相比传统CAN总线网络，能够节省50％的导线和连接器接头数量，提供与标准CAN总线收发器兼容的集成化接口组件，由于UWB信号带宽很大，通常可达数百兆Hz，而总线上提供了非常宽的传输带宽。因为频带越宽的信号其时域越窄，经过时域压缩后，获得10ns以下的脉冲信号，识别脉冲所需时间很短，因此转发延迟控制在100ns以内，数据速率可达10Mbps；且具备自我侦听功能，对各种CAN总线设备均保持兼容，应用中无需改动协议层和应用层，如图3a和3b所示。
携能现场总线系统采用了超宽带脉冲(UWB)通信技术，提供兼容CAN-FD标准的10Mbps高速传输能力，并具有极强的抗干扰能力。此外，携能现场总线系统也可应用于其他各类差分现场总线，如RS-485总线系统。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.携能现场总线模块，其特征在于，由Po-CAN总线收发器(1)和Po-CAN总线终端(2)组成；
所述Po-CAN总线收发器(1)，用于对Po-CAN总线/电源线上的数据进行调制和解调，并完成数据调制和Po-CAN总线/电源线的供电电源的复用；
所述Po-CAN总线终端(2)，用于实现数据信号和Po-CAN总线/电源线的供电电源的隔离，防止数据信号传入Po-CAN总线/电源线的供电电源内；并起到信号吸收作用，将传递到Po-CAN总线/电源线末端的信号吸收，避免其二次反射。
2.根据权利要求1所述的携能现场总线模块，其特征在于，所述Po-CAN总线收发器(1)，由第一电源滤波器(1-1)、电源变换模块(1-2)、逻辑接口(1-3)、UWB脉冲成型调制器(1-4)、UWB发射信号驱动器(1-5)、第一隔离耦合器(1-6)、第二隔离耦合器(1-7)、UWB接收信号放大器(1-8)、UWB脉冲检测解调器(1-9)组成；
所述第一电源滤波器(1-1)，用于阻隔Po-CAN总线/电源线的供电电源上的UWB即超宽带信号，阻止UWB信号进入设备内部电源系统；
所述电源变换模块(1-2)，用于提供Po-CAN总线收发器(1)内所有电路的稳压电源，并提供UWB脉冲所需的高电压；
所述逻辑接口(1-3)，用于对TXD数据和RXD数据进行整型，使之成为标准晶体管-晶体管逻辑电平的数字信号；
所述UWB脉冲成型调制器(1-4)，用于将逻辑接口(1-3)整型的TXD数据转换成超宽带脉冲信号，传输至UWB发射信号驱动器(1-5)；
所述UWB发射信号驱动器(1-5)，用于将超宽带脉冲信号进行幅值放大，并传输至第一隔离耦合器(1-6)；
所述第一隔离耦合器(1-6)，用于将放大的超宽带脉冲信号耦合至Po-CAN总线/电源线上；
所述第二隔离耦合器(1-7)，用于感应Po-CAN总线/电源线上携带的调制信息，并将信号传输至UWB接收信号放大器(1-8)；
所述UWB接收信号放大器(1-8)，用于放大第二隔离耦合器(1-7)接收的信号，并传输至UWB脉冲检测解调器(1-9)；
所述UWB脉冲检测解调器(1-9)，用于对UWB接收信号放大器(1-8)输出的信号进行判决和解调，还原数据波形并传送给逻辑接口(1-3)。
3.根据权利要求1所述的携能现场总线模块，其特征在于，所述Po-CAN总线终端(2)由第二电源滤波器(2-1)、第三隔离耦合器(2-2)和终端电阻(2-3)组成，
所述第二电源滤波器(2-1)，用于对Po-CAN总线/电源线的供电电源中特定频率的频点进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号；
所述终端电阻(2-3)，用于吸收UWB信号传至Po-CAN总线/电源线末端能量，避免产生二次反射；
所述第三隔离耦合器(2-2)，用于将终端电阻(2-3)和直流电源隔离开，避免终端电阻(2-3)吸收Po-CAN总线/电源线的供电电源上的能量。
4.携能现场总线系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-3任一所述的携能现场总线模块，其中，所述Po-CAN总线收发器(1)、设备内部电源系统、电源和CAN总线控制器构成一个Po-CAN节点，在携能现场总线系统的Po-CAN总线/电源线上有N个并联的Po-CAN节点，所述Po-CAN总线终端(2)的供电端连接携能现场总线系统的供电电源或者不连接携能现场总线系统的供电电源。
5.根据权利要求4所述的携能现场总线系统，其特征在于，所述电源为+5V电源，电源分别与设备内部电源系统和CAN总线控制器相连接，Po-CAN总线收发器(1)上的P/D+脚连接至携能现场总线系统外部Po-CAN总线/电源线正极；P/D-脚连接至携能现场总线系统外部Po-CAN总线/电源线负极；P+脚连接至设备内部电源系统电源线正极；P-脚连接至设备内部电源系统电源线负极；TXD脚即数据发送脚，连接至CAN总线控制器的数据发送端；RXD脚即数据接收脚，连接至CAN总线控制器的数据接收端；VCC脚即电源输入引脚，连接至+5V电源；GND脚即电源接地引脚，连接至携能现场总线系统的地；
所述Po-CAN总线终端(2)的P/D+脚连接至携能现场总线系统外部总线/电源线正极；P/D-脚连接至携能现场总线系统外部总线/电源线负极。
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