CN109729444B - Onu设备，pon-can总线架构，机器人系统 - Google Patents

Onu设备，pon-can总线架构，机器人系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种ONU设备，PON‑CAN总线架构，机器人系统。该ONU设备包括CAN适配器，与所述CAN适配器相连的MCU模块，以及与所述MCU模块相连的光收发器；所述光收发器与所述PON‑CAN总线架构中的光纤总线相连；所述CAN适配器用于提供所述ONU设备的CAN接口；所述MCU模块用于在CAN报文和用于在所述光纤总线上传输的报文之间进行相互转换。

Description

ONU设备，PON-CAN总线架构，机器人系统
技术领域
本公开涉及通信控制领域，具体地，涉及一种ONU设备，PON-CAN 总线架构，机器人系统。
背景技术
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，CAN总线的特点是数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个) 节点发起数据通信，同时不会受到单个节点损坏导致总线瘫痪影响。但是， CAN总线最大传输速率为1Mbps，并且随着两节点距离的增大，CAN总线的通信速率将变慢，致使CAN总线连接的节点数量受限。
随着科学科技的发展，控制系统的应用范围不断扩大，受控制的节点越来越多，例如机器人系统，其具有运动量大、传感器多、关节多等特点，从而对节点数、指令响应速度以及传输速率的要求也会越来越高。而现有的 CAN总线网络在多节点控制传输的情况下，无法满足高速率的要求。因此，相关技术中提出了使用PON-CAN总线架构替代CAN总线的技术方案。 PON-CAN总线基于PON网络，能够提供1Gbps以上的高带宽，可以避免电磁干扰影响，满足对大规模节点数量，高传输速率的要求。
但是，CAN总线是一种在控制领域已经被广泛应用的总线标准，其采用双线电信号，这使得现有的CAN总线设备难以直接接入PON-CAN架构。
发明内容
本公开的主要目的是提供一种ONU设备，PON-CAN总线架构，机器人系统，以解决相关技术中存在的上述问题。
为了达到上述目标，本公开实施例第一方面提供一种光网络单元ONU 设备，应用于PON-CAN总线架构，所述ONU设备包括：
CAN适配器，与所述CAN适配器相连的MCU模块，以及与所述MCU 模块相连的光收发器；
所述光收发器与所述PON-CAN总线架构中的光纤总线相连；
所述CAN适配器用于提供所述ONU设备的CAN接口；
所述MCU模块用于在CAN报文和用于在所述光纤总线上传输的报文之间进行相互转换。
可选地，所述MCU模块具体用于：
将所述CAN适配器传输的CAN报文转换为TCP/IP报文，并将所述 TCP/IP报文传输给光收发器；
将所述光收发器传输的TCP/IP报文转换为CAN报文，并将所述CAN 报文传输给所述CAN适配器。
可选地，所述MCU模块包括内置有CAN协议控制器的芯片；和/或，
所述CAN适配器为CAN收发器。
可选地，所述MCU模块用于，在接收到CAN帧时，将该CAN帧作为数据部分，并对所述数据部分添加用户数据报协议UDP包头，得到UDP报文，并将所述UDP报文通过所述光收发器发送给PON网络；
在接收到UDP报文时，将该UDP报文中的数据部分作为CAN帧，将该CAN帧通过所述CAN适配器发送给CAN网络。
本公开实施例第二方面提供一种PON-CAN总线架构，所述PON-CAN 总线架构中的ONU设备是如第一方面所述的ONU设备。
可选地，所述PON-CAN总线架构包括第一ONU设备，所述第一ONU 设备通过所述第一ONU设备内的CAN适配器提供的CAN接口与一CAN 设备相连。
可选地，所述PON-CAN总线架构包括第二ONU设备，所述第二ONU 设备通过所述第二ONU设备内的CAN适配器提供的CAN接口与CAN总线相连。
本公开实施例第三方面提供一种机器人系统，所述机器人系统包括如第二方面所述的PON-CAN总线架构。
通过上述技术方案，至少能够达到如下技术效果：
通过在ONU设备中添加CAN适配器，使得ONU设备可以直接与CAN 设备相连或者ONU设备可以自身作为一种CAN设备接入CAN总线。这样，利用该ONU设备组网得到的PON-CAN总线架构能够兼容CAN总线网络，也就是说，现有的CAN设备无需进行改动，可以直接接入PON-CAN总线架构，作为PON-CAN总线架构的终端设备，与PON-CAN总线架构中的总信息设备实现信息交互，提高了PON-CAN总线架构适用性。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是现有PON-CAN总线架构的一种示意图；
图2是本公开实施例提供的一种ONU设备的结构示意图；
图3是本公开实施例提供的一种PON-CAN总线架构的示意图；
图4是本公开实施例提供的另一种PON-CAN总线架构的示意图；
图5是本公开实施例提供的又一种PON-CAN总线架构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
为了使本领域技术人员能够更加容易理解本公开实施例提供的技术方案，下面首先对本公开实施例涉及到的相关技术进行介绍。
PON-CAN总线架构：PON(Passive Optical Network：无源光纤网络) 是纯介质网络，基于无源光纤组网以及不对称耦合器构成的PON-CAN总线架构，避免了电磁干扰影响，并且层级之间不会造成带宽消减，从而可以提供非常高的带宽，进而在所连接的节点不断增加的情况下也可以满足高速率的传输要求，解决了现有CAN总线通信速率低，节点连接数受限的问题。
图1是PON-CAN总线架构的一种示意图，如图1所示，PON-CAN总线架构包括总信息设备101，以及该总信息设备101连接的光纤总线，其中，该光纤总线由多个不对称耦合器互联形成。例如，图1中所示的光纤总线102，包括多个不对称耦合器103互联形成，其中，图1只是以不对称耦合器之间的线性互联进行示意，在具体实施时，不对称耦合器之间可以采用其他互联方式，或者采用多种互联方式组合构成光纤总线。并且，光纤总线上连接有 ONU(Optical Network Unit，光网络单元)设备，如图1中所示的ONU设备104，其中，ONU设备104用于实现光纤总线与电控的终端设备之间光电信号的转换，进而实现总信息设备101与终端设备之间的通信。
相关技术中，由于CAN总线的广泛应用，终端设备多是支持CAN协议的电子设备，不能直接兼容于PON-CAN总线架构与ONU设备相连。
本公开实施例为了解决上述技术问题，首先提供一种ONU设备，该ONU 设备应用于例如图1所示的PON-CAN总线架构，如图2所示，该ONU设备20包括CAN适配器201，与CAN适配器201相连的MCU模块202，以及与MCU模块202相连的光收发器203。
其中，光收发器203与PON-CAN总线架构中的光纤总线相连，CAN 适配器20用于提供ONU设备20的CAN接口，MCU模块202用于在CAN 报文和用于在光纤总线上传输的报文之间进行相互转换。
可选地，用于在光纤总线上传输的报文可以是TCP/IP报文，在此种情况下，MCU模块202用于将CAN适配器201传输的CAN报文转换为TCP/IP 报文，并将TCP/IP报文传输给光收发器203。其中，该CAN报文是与该 ONU设备20相连的CAN总线上的CAN设备发送给该ONU设备20的，或者是与该ONU设备20直接相连的CAN设备发送给该ONU设备20的，通过MCU模块202将CAN报文转换为TCP/IP报文后，由光收发器203传输到光纤总线上，从而实现作为终端的CAN设备向PON-CAN总线架构的总信息设备上行传输信息。
MCU模块202还用于将光收发器203传输的TCP/IP报文转换为CAN 报文，并将该CAN报文传输给CAN适配器201，由CAN适配器201将该 CAN报文传输给CAN设备，从而实现PON-CAN总线架构的总信息设备向作为终端的CAN设备下行传输信息。
在具体实施时，MCU模块202中可以采用硅光电倍增管SiPM进行光电信号的相互转换。其中，SiPM拥有高灵敏度，可以对单光子进行计数，提升ONU设备对弱光信号的转换能力。
可选地，用于在光纤总线上传输的报文可以是UDP报文，MCU模块 202用于，在接收到CAN帧时，将该CAN帧作为数据部分，并对所述数据部分添加用户数据报协议UDP包头，得到UDP报文，并将所述UDP报文通过所述光收发器发送给PON网络；在接收到UDP报文时，将该UDP报文中的数据部分作为CAN帧，将该CAN帧通过所述CAN适配器发送给 CAN网络。
可选地，MCU模块202还可以包括内置有CAN协议控制器的芯片，用于实现UDP报文和CAN帧之间的转换；和/或，CAN适配器201可以为CAN 收发器，用于与CAN网络兼容，与CAN网络之间收发CAN帧。
采用上述ONU设备，该ONU设备中的CAN适配器使得ONU设备可以直接与CAN设备相连或者ONU设备可以自身作为一种CAN设备接入 CAN总线。这样，利用该ONU设备组网得到的PON-CAN总线架构能够兼容CAN总线网络，也就是说，现有的CAN设备无需进行改动，可以直接接入PON-CAN总线架构，作为PON-CAN总线架构的终端设备，与PON-CAN 总线架构中的总信息设备实现信息交互，提高了PON-CAN总线架构适用性。
为了使本领域技术人员更容易理解本公开实施例提供的ONU设备，下面对ONU设备中涉及到的器件的具体选型进行举例说明。
其中，MCU模块202可以包括内置有CAN协议控制器的 STM32F765VIHx芯片，和/或，CAN适配器201可以为CAN收发器 SN65HVD230。
基于此，MCU模块202具体实现在CAN报文和用于在光纤总线上传输的报文之间进行相互转换的方式可以为：在接收到CAN帧时，通过所述CAN 协议控制器将所述CAN帧作为数据部分，并对所述数据部分添加UDP(用户数据报协议，User Datagram Protocol)包头，得到UDP报文，并将所述 UDP报文通过所述光收发器发送给PON网络；在接收到UDP报文时，通过所述CAN协议控制器将该UDP报文中的数据部分作为CAN帧，将该CAN 帧通过所述CAN适配器发送给CAN网络。
示例地，UDP报文的封装格式可以如下表所示：
Figure RE-BDA0001885754040000061
这样，MCU模块202即用于将从CAN网络接收到的CAN帧(例如可以是由CAN收发器SN65HVD230传输给MCU模块202的)，封装成如上表所述的UDP报文，并将从PON网络接收到的UDP报文解封装，将UDP 数据部分作为CAN帧传输给CAN收发器，并由CAN收发器将该CAN帧发送到CAN网络。从而在不对CAN网络中的设备进行任何改动的情况下，实现了CAN网络和PON网络的兼容。
上述对MCU模块202和CAN适配器201的器件选型只是一种举例说明，在具体实施时，CAN适配器201还可以选用CAN收发器PCA82C250/251 或者CAN收发器TJA1040等，本公开对此不做限定。
基于上述ONU设备，本公开实施例还提供一种PON-CAN总线架构，该PON-CAN总线架构中的ONU设备是如图2所示的ONU设备。
图3，图4和图5分别是本公开实施例提供的PON-CAN总线架构的一种示意图，其中，图3，图4和图5均是以PON-CAN总线架构为线性互联结构进行的举例说明，在具体实施时，PON-CAN总线架构还可以是其他组网方式，例如，星型互联，环形互联或者包括多种互联方式的混合拓扑组网结构，本公开对此不做限定。
如图3所示，PON-CAN总线架构包括第一ONU设备，第一ONU设备通过第一ONU设备内的CAN适配器提供的CAN接口与一CAN设备相连。也就是说，每个ONU设备连接一个CAN设备。光纤总线102可以参照图1 中所示的光纤总线102，其由不对称耦合器互联形成，ONU设备与光纤总线的连接，是指ONU设备中的光收发器与光纤总线的不对称耦合器连接。
如图4所示，PON-CAN总线架构包括第二ONU设备，第二ONU设备通过第二ONU设备内的CAN适配器提供的CAN接口与CAN总线401相连。如图4所示，CAN总线401及其挂载的CAN设备组成CAN网络40， ONU设备直接与CAN总线相连，也就是说，ONU设备可以同时作为一CAN设备，连接PON-CAN总线网络的下一级网络(即该CAN网络40)，形成以PON-CAN总线网络为主干网，连接一个或多个CAN子网的形式。
图5所示的PON-CAN总线架构结合了图3和图4所示的组网方式，部分ONU设备可以直接与CAN设备相连，部分ONU设备可以与CAN总线相连，形式更加灵活。
采用上述PON-CAN总线架构，通过ONU设备实现了PON网络和CAN 网络的兼容，现有的CAN设备无需进行改动，可以直接接入PON-CAN总线架构，作为PON-CAN总线架构的终端设备，与PON-CAN总线架构中的总信息设备实现信息交互，提高了PON-CAN总线架构适用性。
本公开实施例还提供一种机器人系统，所述机器人系统包括上述任一实施例提供的PON-CAN总线架构，具体可参照上述对图3、图4和图5的说明，此处不再赘述。
具体地，机器人系统中的上位机可以作为PON-CAN总线架构中的总信息设备，中位机系统、电源管理系统、下位机控制系统、各个肢体关节的伺服系统、各个肢体关节相应的终端设备，可以位于与PON-CAN总线架构的光纤总线连接的下一级网络。
值得说明的是，现有机器人系统通常采用基于RS-485总线的通信控制，或者基于CAN总线的通信控制，或者基于Ethernet的Ethercat技术的通信控制。其中，RS-485总线理论通信最高速率10Mbps，并且随着通信距离增加通信速率也会下降，只有在20kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。而CAN总线最大传输速率1Mbps，并且随着CAN Bus两节点距离的增大，CAN Bus的通信速率将变慢，和RS-485存在同样的问题，在多节点控制传输情况下，无法满足高速率要求。Ethercat技术是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，该技术中使用了中继交换技术，由于中继器对收到被衰减的信号再生到发送时的状态，并转发出去，导致增加了延时，也难以满足多设备下高带宽速率的实时高效的通信需求。
由上可知，以上通信方式以及接口连接难以满足机器人系统中不断增加的运动控制设备、终端图像采集设备以及未知动态情况控制的实时高速率传输要求。尤其运动控制设备是机器人核心，对实时数据获取与控制要求较高，低带宽数据传输满足不了要求。
而采用本公开实施例提供的机器人系统，机器人系统的各控制设备以及终端可以通过PON-CAN总线架构连接起来，提高了传输速率，实现系统内部高速安全的通信。并且，由于PON-CAN总线架构节点扩展性强，因此可以根据系统实际需要连接多个机器人拓扑终端，解决现有机器人总线系统中节点受限问题，保证了在节点不断增加的情况下也可以满足高速率的传输要求。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (2)

1.一种机器人系统，其特征在于，所述机器人系统包括PON-CAN总线架构，所述PON-CAN总线架构包括ONU设备、总信息设备、以及与所述总信息设备连接的光纤总线，其中，所述光纤总线由多个不对称耦合器互联形成；
所述ONU设备包括CAN适配器，与所述CAN适配器相连的MCU模块，以及与所述MCU模块相连的光收发器；
所述光收发器与所述光纤总线中的所述不对称耦合器相连；
所述CAN适配器用于提供所述ONU设备的CAN接口，所述ONU设备用于通过所述CAN接口连接CAN设备或者CAN总线；
所述MCU模块用于在CAN报文和用于在所述光纤总线上传输的报文之间进行相互转换；具体为：
在光纤总线上传输的报文是TCP/IP报文时，所述MCU模块用于：将所述CAN适配器传输的CAN报文转换为TCP/IP报文，并将所述TCP/IP报文传输给光收发器；将所述光收发器传输的TCP/IP报文转换为CAN报文，并将所述CAN报文传输给所述CAN适配器；
在光纤总线上传输的报文是UDP报文时，所述MCU模块在接收到CAN帧时，将该CAN帧作为数据部分，并对所述数据部分添加用户数据报协议UDP包头，得到UDP报文，并将所述UDP报文通过所述光收发器发送给PON网络；在接收到UDP报文时，将该UDP报文中的数据部分作为CAN帧，将该CAN帧通过所述CAN适配器发送给CAN网络；
所述机器人系统中的上位机作为所述PON-CAN总线架构中的所述总信息设备，所述机器人系统中的中位机系统、电源管理系统、下位机控制系统、各个肢体关节的伺服系统、以及各个肢体关节相应的终端设备位于与所述光纤总线连接的下一级网络。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述MCU模块包括内置有CAN协议控制器的芯片；和/或，
所述CAN适配器为CAN收发器。
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