CN111510217B - 一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统，包括：数据总线、仲裁总线、总控台、中继器和通信设备。其中数据总线由光纤组成，由连接不同的设备而分主干数据总线和次级数据总线，仲裁总线由双绞铜线构成，增加系统的传输率。总控台可以控制所有中继器和部分重要的通信设备，中继器控制所有挂接在下面的通信设备。通信设备产生的、要交互的所有数据都会通过所连中继器的安排，所述中继器则缓存通信设备产生的数据，并通过仲裁控制模块进入主干数据总线中。本发明所提供的光电混合总线系统，总线的仲裁效率高，总线的数据传输速率高，适宜用于高速行驶的列车。

Description

一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统

技术领域

本发明涉及数据传输总线技术领域，具体地说，涉及一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统。

背景技术

随着我国交通网络的日益成熟，其中对交通工具的需求也越来越高，使其向更高速和更高容量中靠拢。光纤通信是现代通信网的主要传输手段，在现代通信中起到非常重要的作用。

目前我国交通领域在国际上取得了很好的成绩，其中高铁尤为突出，无论是从技术到里程都引领着全球高速列车领域。从初期的高速运行到出于安全性官方发布降速行驶，导致无论从个人到行业甚至到国家都产生了较大负面影响。

而光纤作为极其重要的通信媒介，在传输容量和抗干扰能力在通信领域中是独树一帜的。将其应用至高铁中可以进一步提高数据传送速率，并保证其可靠性。

现有成熟的光纤通信系统均是点对点光纤传输系统。从列车控制室到列车各车厢的信号，在每节车厢都需要进行中继转发，每次中继都需要先从光转到电，然后再从电转回到光，必然存在一定的转发延迟。对于高铁这样的高速运行列车，过大的转发延迟很可能会造成安全隐患。如果不进行车厢中继，直接从控制室连接到各个车厢，则每个车厢之间都需要大量光纤接点，可靠性难以得到保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统，易于总线系统管理，总线利用率和数据传输速率高，可以应用于高铁或者带总控制台的瘦长型大型交通工具中。

本发明公开的一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统所采用的技术方案是:

一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统，包括：

数据总线，根据连接不同的节点设备分为主干数据总线和次级数据总线，所述数据总线至少包括2根双向收发光纤，通过数据帧在时间片内传输节点设备的待发数据；

由一对双绞线构成的仲裁总线，通过仲裁帧在所述时间片内的仲裁时隙中传输中继器的多进制优先级符号，一个时间片内包含的所述仲裁时隙数量不少于所述数据总线的收发光纤数量；

节点设备，包括中继器、通信设备和总控台设备：

所述总控台设备，根据当前列车的状态，可发送系统广播信号和与单个通信设备间的数据交互或处理突发事件帧；除此以外总控台设备需要监视部分重要的通信设备的状态；

由所述中继器中的控制模块的操控下仲裁控制模块参加总线使用权的竞争，可收发主干数据总线和次级数据总线的数据，可以管理一些通信设备，扩展所述总线系统的覆盖范围；

所述通信设备，在接收到其他节点设备的数据时，可做相应的动作，或者根据当前所述通信设备的状态和需求向其他发送数据；当所述通信设备异常变化时，由所述通信设备或所连的中继器产生突发事件信号；

所述总控台设备与所述中继器通过仲裁总线和数据总线以总线拓扑结构来连接，所述中继器与所述通信设备通过数据总线端对端相连，所述总控台设备与所述通信设备不会直连。

进一步地，所述总线系统中包含三种数据帧模式，分别为广播信号、标准数据帧和突发紧急数据信号，其中广播信号只能由总控台设备发出，突发紧急数据信息可由其它节点设备发出，总线系统上的所有节点设备均可以传送标准数据帧；总控台设备可以控制所有中继器和部分重要的通信设备，中继器可以控制所有挂接在下面的通信设备，通信设备产生的、要交互的所有数据都会通过所连中继器的安排，中继器则缓存通信设备产生的数据，并通过所述仲裁控制模块进入主干数据总线中。

进一步地，所述节点设备通过所述仲裁控制模块参加总线使用权的竞争：当所述新一轮的仲裁时隙开始时，连接在仲裁总线上的节点设备，通过发送设备符号串或优先级符号串来竞争主干数据总线的使用权，连接在仲裁总线上并存在待发数据的节点设备的所述仲裁控制模块将具有优先级特性的符号串依次发送至仲裁总线，同时将自身当前发送的符号电压与所述仲裁总线上的符号电压进行比较，若所述符号串中的所有符号获得仲裁优胜，则所述节点设备在下一个仲裁帧开始时发送自身数据至主干数据总线；若所述控制模块在发送符号串时仲裁失败，则在第一个产生仲裁失败的符号后，停止发送剩余的符号串，并在下一个仲裁时隙中继续参加总线使用权的仲裁，直至成功发送数据为止。

进一步地，所述总控台设备周期性的发送广播信号来检测确定总线的拓扑结构，同时检测每个中继器在从信号发送到接收所花费的时间，并以此时间确定时间片的起止定时和仲裁符号速率；

收到来自最末端车厢的时间反馈信号后，总控台设备将反馈信号与上一个检测信号进行比对，若两个检测信号的反馈信号有所不同，则表示总线拓扑结构发生变化，即反馈信号的时间延迟增大表示拓扑结构延长，反馈信号的时间延迟减小则表示总线拓扑结构缩短；

在检测总线拓扑结构有变化后，所述总控台设备根据具体变化来变更系统的传输数据率，若总线拓扑结构延长，降低总线符号传输数据率；若总线拓扑结构缩短，提高总线符号率的传输数据率；

同样检测总线拓扑结构有变化后，所述总控台设备根据总线中增加的中继器数量，对中继器中的光耦合器的分光比率进行调整，并把此调整信号广播至每个中继器；

若检测到总线拓扑结构没有变化，则保持当前设置，不做任何变更。

进一步地，当所述总控台设备不发送广播信号时，即对目标设备进行单播时，要进行仲裁后才能使用主干数据总线；所述总控台设备具有最高优先级，当有数据发送时，在仲裁总线上发送其设备符号串，并准备在最近的新的时间片的起始时刻开始发送数据。

进一步地，所述总控台设备的数据接收模块，除了接收作为目标设备时接收总线上的数据外，所述总控台设备检测主干数据总线上的一切数据，并根据其目标地址不同筛选来接收数据总线上传送的数据，以便了解重要通信设备的状态信息。

进一步地，所述中继器还包括控制模块、缓存模块、数据接收模块、T型光耦合器和总线优先级符号生成器；

所述控制模块在所述中继器接收来自其管辖内的通信设备的数据时，先对所述数据的目标设备进行检测，当检测到上述目标设备为所述中继器下的通信设备，则不对该数据分配缓存空间，并直接发送至目标设备；当检测到上述目标设备挂接在其他中继器下，则所述控制模块为其分配缓存空间，并进行存储；

所述缓存模块用于存储来自挂接在所述中继器上的通信设备的数据，至少能够存储一个数据帧的大小，若存储的数据量小于一个数据帧，在数据总线上传输时，则要填充至一个数据帧长度。

所述总线优先级符号生成器，根据上一个时间片仲裁期间内所述缓存模块中存储的数据量和所述中继器设备符号串产生具有唯一性的、多进制符号串构成的优先级符号串，并发送至所述仲裁控制模块，并参加下一个仲裁帧中主干数据总线的使用权的竞争；

所述T型光耦合器，通过一定功率比例从主干数据总线上分离光信号至中继器的所述数据接收模块，或从所述缓存模块传送光信号至主干数据总线上，具体比例系数由所述总控台设备来决定；

所述数据接收模块，接收到主干数据总线上的数据后，检测其目标地址是否为当前中继器下的通信设备，若是当前设备，则向下发送数据，若不是则不再接收其余的数据。

进一步地，所述T型光耦合器：从所述T型光耦合器的中部分离出的光信号功率，应该控制在从头部两端输入的光信号功率的-20dB～-3dB之间。

进一步地，所述通信设备包含数据收发模块；并根据设备的不同，可具有执行模块和采集模块；

所述通信设备只能通过所述中继器与总控台设备和其他通信设备进行数据交互，向直连的中继器发送数据时，无需进行总线仲裁，直接传送，并由所述中继器的所述控制模块决定所传数据的走向；

某些重要的通信设备可发送突发事件信号，当通信设备出现故障时，将发出突发事件信号，收到该数据的中继器，将不缓冲该数据进入所述缓存模块，而是直接传输至主干系统，并经由主干系统传输至所述总控台设备。

通过本发明提供的一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统，能够带来以下至少一种有益效果：

1、本发明通过将仲裁总线与数据总线分开，一方面可以大幅提升数据总线的传输速率，从而扩大总线系统的节点容量和应用范围；另一方面还可以在保证数据总线的传输速率的前提下，通过降低仲裁总线的符号传输速率来提高系统的可靠性。

2、本发明使用光纤进行数据传输，可以降低数据传输对外辐射干扰，可以增加传输线束中的数据总线通道数量，极大地提高通信信道容量。

3、本发明采用总线拓扑结构，可以沿途随时挂接和撤下中继设备和通信设备，动态适应列车编组变化；同时直接的无源光通路转发，无需插入转发延迟。

4、本发明可以通过任意增加数据总线的光纤来适应更大数据吞吐量的需求，而无需改变总线系统结构。

5、本发明也可以通过单独增加仲裁线的数量，将用于仲裁的多进制符号串分散在多条仲裁线上同时发送，或者缩短仲裁时间降低冲突概率，或者进一步延长单个多进制符号的持续时间，提高仲裁可靠性。

6、通过采用两条仲裁线并按预设相位差分别驱动两条仲裁线，可以支持总线接插件的盲插拔。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的总线系统结构示意图。

图2是本发明的一个实施例的总控台设备的结构示意图。

图3是本发明的中继器的内部模块示意图。

图4是本发明的中继器的内部结构的示意图。

图5是本发明的T型光耦合器的结构示意图。

图6是本发明的总控台设备发送广播检测信号并更改光耦合器功率比例系数的流程图。

图7是本发明的节点设备通过仲裁使用主干数据总线的流程图。

具体实施方式

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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。

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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步阐述和说明:

在本发明的一个实施例中，如图1所示，一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统包括：

(1)数据总线，至少包括2根双向收发光纤。根据连接不同的节点设备分为主干数据总线和次级数据总线。通过数据帧在时间片内传输节点设备的待发数据。所述时间片为数据总线传输一个数据帧所需的持续时间，所述待发数据包括节点控制信息和传感信息。

(2)仲裁总线，包括2根以地线为参考电平的仲裁线，通过仲裁帧在所述时间片内的仲裁时隙中传输节点设备的多进制符号。两根仲裁线的数据符号相位相差120度，交替传输同一个仲裁帧的连续多进制符号。(多进制符号由多电平表示，多电平包括由多个门限分隔的不同电压幅值状态。一个时间片内包含的所述仲裁时隙数量不少于所述数据总线的收发光纤数量。具体的，多进制符号由不同电压的变化来定位符号边界以此提供时钟周期长度，并可作参考时钟，为系统提供一种准时钟信号。将若干固定时钟信号组成仲裁帧，每个时间片分割成若干仲裁时隙，每个仲裁时隙的持续时间内可以传输一个仲裁帧，仲裁时隙的数量不少于光纤数据总线的数量。)

(3)节点设备，包括起中继作用的中继器和处于网络终端的执行部件和传感器等组成的通信设备和可集中控制总线上的所有设备的总控台设备。

其中，总控台设备，根据当前列车的状态，可发送系统广播信号和与单个通信设备间的数据交互或处理突发事件帧；

除此以外，总控台设备需要监视部分重要的通信设备的状态，并接受除作为目标地址以外的总线上的部分通信设备发送的数据信号，以了解此类通信设备的所处状态(总控台设备的数据接收模块120，除了接收作为目标设备时接收总线上的数据外，总控设备检测主干数据总线上的一切数据，并根据其目标地址不同筛选来接收数据总线上传送的数据，以便了解重要通信设备的状态信息)。

其中，中继器，由中继器中的控制模块200的操控下仲裁控制模块220参加总线使用权的竞争，可收发主干数据总线和次级数据总线的数据，可以管理一定数量的传感器，扩展所述总线系统的覆盖范围。

其中，通信设备，由执行部件和传感器组成，在接收到其他节点设备的数据时，可做相应的动作，根据当前所述通信设备的状态和需求向其他发送数据，或者在自身状态异常变化时，由该通信设备或所连的中继器产生突发事件信号。

(具体的，通信设备包含数据收发模块，并根据设备的不同，可具有执行模块和采集模块。

通信设备只能通过所述中继器与总控台设备和其他通信设备进行数据交互，向直连的中继器发送数据时，无需进行总线仲裁，直接传送，并由所述中继器的控制模块200决定，所传数据的走向。

某些重要的通信设备可发送突发事件信号，当通信设备出现故障时，将发出突发事件信号，收到该数据的中继器，将不缓冲该数据进入缓存模块240，而是直接传输至主干系统，并经由主干系统传输至总控台设备。)

总线系统中包含三种数据帧模式，分别为广播信号、标准数据帧和突发紧急数据信号，其中广播信号只能由总控台设备发出，突发紧急数据信息可由其它节点设备发出，总线系统上的所有节点设备均可以传送标准数据帧。

总控台设备可以控制所有中继器和部分重要的通信设备，中继器可以控制所有挂接在下面的通信设备。通信设备产生的、要交互的所有数据都会通过所连中继器的安排，中继器则缓存通信设备产生的数据，并通过仲裁控制模块220进入主干数据总线中。

上述总控台设备与中继器通过仲裁总线和数据总线以总线拓扑结构来连接，中继器与通信设备通过数据总线端对端相连，总控台设备与通信设备不会直连。

在本发明的一个实施例中，如图2所示的总控台设备的结构，总控台设备中包含控制模块100、仲裁控制模块110、数据接收模块120和数据发送模块130。控制模块100，与仲裁控制模块110，数据接收模块120和数据发送模块130相连。

总控台设备可处理三种数据帧，分别为广播数据帧、标准数据帧和突发数据帧。

(1)关于总控台设备处理广播数据帧：广播数据帧主要用于总线拓扑结构的检测和对所直连的中继器广播指令信号。

广播信号，由总控台设备周期性的发送到主干数据总线，以确定总线的拓扑结构，同时测量信号从总控台设备发出到由各个中继器接收所花费的时间，并以此时间来作为时间片的同步定时。

例如，最后一个中继器收到广播信号后，会以收到的时刻，再加上本中继器当前的定时延迟系数dt0，作为时间片的实际起始时刻。然后在下一个时间片的起始时刻，开始竞争回复检测拓扑结构的广播信号。假设在第4个时间片获得了发送权，在第5个时间片成功发送了回复的反馈信号，信号中包括了本次的定时延迟系数dt0。

如果收到最末车厢的反馈信号起始时刻，相对于总控台时间片的起始时刻延迟了dt1秒，那么整条总线的往返反馈延迟就是：Dtt＝dt0+dt1秒。那么该中继器新的定时延迟系数就是：dt0＝Dtt/2。用光纤中的光速乘上总线往返延迟一半的时间，就是该中继器离总控台的距离，或者说整条总线的长度。

收到来自最末端车厢的时间反馈信号后，总控台设备将反馈信号与上一个检测信号进行比对，若两个检测信号的反馈信号有所不同，则表示总线拓扑结构发生变化，即反馈信号的时间延迟系数增大表示拓扑结构延长，反馈信号的时隙延迟系数减小则表示总线拓扑结构缩短。

例如，另一种改进的方案是所述中继器直接以收到广播信号的时刻来作为时间片的起始定时时刻，那么响应信号就可以不需要再包括本中继器的定时延迟向前调整系数，从而有更多的空间来反馈其它需要反馈的信息。例如中继器缓存中待发数据的数量，中继器的识别号，以及中继器经过测量的处理延迟，等等。

在此例中，如果收到最末车厢的反馈信号起始时刻，相对于总控台时间片的起始时刻延迟了dt1秒，那么整体总线的往返延迟就是：Dtt＝dt1秒。

例如，一种加快拓扑结构检测速度的进一步的改进是，在收到拓扑结构检测广播后，各个中继器不再进行发送竞争仲裁，而是同时在一个固定的时间延迟以后，开始发送一段持续时间固定的光随机调制脉冲。这个固定时间延迟可以是数十微秒，也可以是到下一个时间片的开始时刻。该段光脉冲的持续时间可以只有微秒或亚微秒级，比如1微秒。

于是，总控台收到的反馈光脉冲信号的前锋延迟时间，就是离总控台最近的中继器所发的反馈信号到达总控台的光传播延迟；总控台收到的反馈光脉冲信号彻底消失的时刻的延迟时间，就是离总控台最远的中继器所发的反馈信号到达总控台的光传播延迟加上该中继器反馈光脉冲的持续时间(前段所述的1微秒)。扣除该固定的(1微秒)光脉冲持续时间，就可以根据光传播延迟和光信号在光纤中的传播速度，计算出最末端中继器到总控台的实际距离。

在检测总线拓扑结构有变化后，总控台设备根据具体变化来变更系统的传输数据率。若总线拓扑结构延长，适当降低总线符号的传输数据率；若总线拓扑结构缩短，适当提高总线符号的传输数据率。必须确保每个仲裁总线上多进制符号的符号周期时间明显大于“多进制符号在仲裁总线上从总控台到最远车厢中继器的往返传输时间”。

假设列车总长为300米，那么从总控台到最远车厢的信号往返传输时间约为3微秒，仲裁信号在铜仲裁总线上的往返传输时延在2～5微秒之间。因此仲裁总线上的多进制符号速率必须明显低于200K，比如取为150K。通过合理选取铜仲裁总线的参数，可以将往返传输时延控制在2～2.5微秒之间，就可以将符号速率提升到300K以上。

如果实测列车总长只有200米，那么仲裁总线上的往返传输延迟就可以控制在1.7微秒以内，那么仲裁符号速率就可以一下子提升到接近500K。

同样，在检测总线拓扑结构有变化后，总控台设备根据总线中增加的中继器数量，对中继器中光耦合器的分光比率进行调整，并把此调整信号广播至每个中继器设备。

(2)关于总控台设备处理标准数据帧：总控台设备在发送标准数据帧时，可用到仲裁控制模块110参加总线使用权的仲裁。总控台设备的在新的仲裁时隙开始时，将自身的符号串依次发送至仲裁总线上，由于是具有最高优先级的，因此准备在新一轮的时间片中发送数据至目标节点设备。

(3)关于总控台设备处理突发数据帧：系统中出现突发事件数据时，中继器给予突发事件数据较高的优先权，从而可以以最快的速度获得数据总线使用权，快速发送到总控台设备，而总控台设备根据突发事件的具体内容做出回应。

在本发明的一个实施例中，如图3和图4所示的中继器结构，中继器包括控制模块200、缓存模块240、数据接收模块250、光耦合器230、总线优先级符号生成器210和仲裁控制模块220。控制模块200和其余模块相连，光耦合器230和缓存模块240、数据接收模块250相连，总线优先级符号生成器210和仲裁控制模块220相连。

控制模块200，控制其余模块，做出相应的指令，同时监控其各个端口的连接情况。控制模块200在中继器接收来自其管辖内的通信设备的数据时，先对所述数据的目标设备进行检测，当检测到上述目标设备为该中继器下的通信设备，则不对该数据分配缓存空间，并直接发送至目标设备；当检测到上述目标设备挂接在其他中继器下，则控制模块200为其分配缓存空间，并进行存储。总线优先级符号生成器210，根据一个仲裁帧内所述缓存模块240的情况和中继器的设备符号串，生成具有唯一性、优先级的符号串发送至仲裁控制模块220。

仲裁控制模块220，接收到总线优先级符号生成器210的优先级符号串后，将其在新的仲裁时隙起始时刻开始依次发送至仲裁总线上，同时监测仲裁总线上的符号电压的变化，判断当前符号是否发送成功。若全部符号发送成功，向控制模块200发送反馈信号，控制模块200安排缓存模块240中的数据在新的时间片开始时发送至主干数据总线。

光耦合器230，通过一定功率比例从主干数据总线上分离光信号至中继器的数据接收模块250，或从所述缓存模块240传送光信号至主干数据总线上，具体比例系数由总控台设备来决定。

缓存模块240，缓存对挂接在当前中继器上的通信设备的目标地址为非当前中继器下的通信设备的数据。进一步，缓存模块240用于存储来自挂接在所述中继器上的通信设备的数据，至少能够存储一个数据帧的大小，若存储的数据量小于一个数据帧，在数据总线上传输时，则要填充至一个数据帧长度。

数据接收模块250，接收到主干数据总线上的数据后，检测其目标地址是否为当前中继器下的通信设备。若是当前设备，则向下发送数据，若不是则不再接收其余的数据。

所述中继器可以是以一个车厢作为一个单位进行划分的，控制所有挂接在其下的设备，如动力系统、供电模块、车厢内外传感器、车门、车窗、空调、灯源等等一系列设备。其中一部分的类似动力系统、供电模块、车厢内外传感器、车门等重要部件，除受中继器控制外还要受到总控台设备的监控和控制，而像车厢灯光、洗手间系统、饮水模块等重要性较低的设备只受当前中继器的控制，其数据也不会被总控台接收。

在本发明的一个实施例中，如图5所示的是中继器中T型光耦合器的简单示意图，所述T型光耦合器可以使中继器获取来主干数据总线上的数据，但是不会接收所有的信号功率，只能接收按一定比例分离出来的信号光功率，具体比例系数由总控台决定。

总控台设备结束总线拓扑机构检测后，会根据反馈信号计算除总线上目前挂接的中继器数量，并进一步计算光耦合器中功率比例系数。再把此比例系数打包广播到每个中继器。

光耦合器主要目的是，一方面中继器可以从分支端向主干总线左右两个方向传送光信号，另一方面还需要确保中继器能够从主干总线上获得足够的信号光功率，哪怕是处于最末端的中继器和总控制台设备，收到的信号光功率都是足够大，可以保证光信号中所携带数据的正确接收。因此比例系数极其重要，关系到较长连接的设备间交互数据的可靠性，甚至影响更多节点设备，以致影响整个系统。

图中A和B端口处于主干数据总线上，通过C连接了中继器中的缓存模块和数据接收模块，也就是D和E端口。光信号在主干数据总线上传送数据时，C处均会分离出一部分光信号。

下面计算与功率比例系数相关的一些参数，

假设该总线系统中光信号，其发送光功率不小于-10dBm，而设备端能够正常接收光信号时，到达光功率不能小于-37dBm，则

以上述极限条件为例，主干数据总线上可以允许有

-10dBm–(-37dBm)＝27dBm的信号损失,

若假定每个光耦合器会损失掉主干耦合器上1dBm的信号功率，则总线系统可挂接27个中继器。

而光耦合器C段的数据功率可以计算如下。-10dBmW发送功率为0.1mW，主干线上1dBm的功率损失相当于信号功率下降到原来的79.4％。那么分离到达C端的功率可以估计为：0.1mW-0.079mW＝21微瓦。

远大于要求的-37dBmW(0.2微瓦)，所以是可以正常接收的。

因此，所述系统经过拓扑检测广播信号后，需要根据所挂接的中继器数量和位置调整T型光耦的分光配比例，增加系统数据的传输可靠性。

通常从C端分离出的光信号功率，应该控制在从A和B端输入的信号功率的-20dB～-3dB之间，需要根据中继器数量和位置综合考虑，尽可能保证到达中继器接收端的光功率都在最佳可接收范围。

采用马赫曾德干涉仪结构，通过调整双臂相位延迟，可以实现对光分比的精确调整。

在本发明的一个实施例中，如图6所示的是总控台设备发送广播检测信号并更改光耦合器分光功率比例系数的流程图，具体如下：

S1000，总控台设备控制模块100，周期性的发出拓扑检测广播信号，以此确定目前总线上挂接得中继器数量。

S1100，发出广播信号后，所示总控台设备检测来自中继器的反馈信号。

S1500，若收到反馈信号，计数器加一。持续检测反馈信号，一旦接收反馈信号，则在原先的计数结果上加一。

S1200，若没有收到反馈信，则等待一定的时间，启动倒计时。

S1300，检测倒计时期间是否有反馈信号。若收到反馈信号则计数器持续加一，并继续等待是否有下一个反馈信号。

S1400，若没有收到反馈信号，则表示已遍历完总线上的中继器。

S1600，遍历完总线上的中继器后，结束计数器计数。

S1700，结束计数器后，并将计数器的结果发送至控制模块100。

S1800，控制模块100根据计数结果确定光耦合器230的功率比例系数。

S1900，打包比例系数，广播至总线系统上的中继器。

所述拓扑检测广播信号发送的周期，会根据车速的不同而有所不同，当列车的快速运行时，其周期会较长，而车速较慢或者完全停止时，其发送周期可以较短，以便及时发现车辆在停车场或站台编组时引起的总线拓扑结构变化。

在本发明的一个实施例中，如图7所示的是节点设备通过仲裁使用主干数据总线的流程。

S2000，在新的仲裁时隙开始时，连接在仲裁总线上、存在待发数据的节点设备发送优先级标识符。

S2100，所述节点设备的仲裁控制模块检测仲裁总线上的符号电压。

S2200，检测仲裁总线上的符号电压是否与其相同，

S2300，检测到仲裁总线上的符号电压与其不同，仲裁控制模块停止发送优先级符号，并等待下一个仲裁时隙，再次参加总线使用权的仲裁。

S2400，检测到仲裁总线上的符号电压与所发符号电压相同，再次检测当前的符号是否是最后一个，若不是最后一个，则继续判断符号电压。

S2500，检测到当前的符号是最后一个，则表示此节点设备在仲裁中获得优胜。

S2600，所述节点设备在新的仲裁帧中将自己的数据发送至主干数据总线上。

具体的，每个节点设备都有一个在所挂接的总线上唯一的、用于标识自身优先级的标识符。每个节点设备在发送数据前必须先在仲裁总线上传输自己的标识符。

当自己的标识符在仲裁总线上发送成功后，该传感节点获得目标数据总线的使用权限，然后才能在下一时间片利用目标数据总线进行数据发送。仲裁总线上是按仲裁帧进行传输的，节点设备通过仲裁帧在所述时间片内的仲裁时隙中传输节点设备的多进制符号串。

在当前时间片的当前仲裁时隙，有数据发送需求的传感节点将自己的标识符翻译成多进制符号串，然后逐符号发送到仲裁总线上，并检测所述仲裁总线上的实际符号电压以判断所述标识符是否发送成功。当检测到所述标识符发送成功时，所述节点设备为该时间片的优胜节点设备，有权在将自己的待发数据于下一个时间片发送到目标数据总线上后，清除该数据帧在缓存中的标志；同时在当前时间片的剩余时隙中也不再发送所述标识符。

当检测到所述标识符发送失败时，判断当前仲裁时隙是否是所述当前时间片的最后一个仲裁时隙：如果不是，等待到下一个时隙开始时重新发送所述标识符；如果是，则结束本时间片的总线竞争，在下一个时间片重新开始总线竞争。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于高速列车的长距离通信的光电混合总线系统，其特征在于，包括：

数据总线，根据连接不同的节点设备分为主干数据总线和次级数据总线，所述数据总线至少包括2根双向收发光纤，通过数据帧在时间片内传输节点设备的待发数据；

由一对双绞线构成的仲裁总线，通过仲裁帧在所述时间片内的仲裁时隙中传输中继器的多进制优先级符号，一个时间片内包含的所述仲裁时隙数量不少于所述数据总线的收发光纤数量；

节点设备，包括中继器、通信设备和总控台设备：

所述总控台设备，根据当前列车的状态，可发送系统广播信号和与单个通信设备间的数据交互或处理突发事件帧；除此以外总控台设备需要监视部分重要的通信设备的状态；

由所述中继器中的控制模块的操控下仲裁控制模块参加总线使用权的竞争，中继器可收发主干数据总线和次级数据总线的数据，可以管理一些通信设备，扩展所述总线系统的覆盖范围；

所述通信设备，在接收到其他节点设备的数据时，可做相应的动作，或者根据当前所述通信设备的状态和需求向所述总线系统中的除当前通信设备以外的其他节点设备发送数据；当所述通信设备异常变化时，由所述通信设备或所连的中继器产生突发事件信号；

所述总控台设备与所述中继器通过仲裁总线和数据总线以总线拓扑结构来连接，所述中继器与所述通信设备通过数据总线端对端相连，所述总控台设备与所述通信设备不会直连。

2.如权利要求1所述的总线系统，其特征在于，所述总线系统中包含三种数据帧模式，分别为广播信号、标准数据帧和突发紧急数据信号，其中广播信号只能由总控台设备发出，突发紧急数据信息可由其它节点设备发出，总线系统上的所有节点设备均可以传送标准数据帧；

总控台设备可以控制所有中继器和部分重要的通信设备，中继器可以控制所有挂接在下面的通信设备，通信设备产生的、要交互的所有数据都会通过所连中继器的仲裁结果安排：中继器则缓存通信设备产生的数据，并通过所述仲裁控制模块进入主干数据总线中。

3.如权利要求1所述的总线系统，其特征在于，所述节点设备通过所述仲裁控制模块参加总线使用权的竞争：当新一轮的所述仲裁时隙开始时，连接在仲裁总线上的节点设备，通过发送设备符号串或优先级符号串来竞争主干数据总线的使用权，连接在仲裁总线上并存在待发数据的节点设备的所述仲裁控制模块将具有优先级特性的符号串依次发送至仲裁总线，同时将自身当前发送的符号电压与所述仲裁总线上的符号电压进行比较，若所述符号串中的所有符号获得仲裁优胜，则所述节点设备在下一个仲裁帧开始时发送自身数据至主干数据总线；若所述控制模块在发送符号串时仲裁失败，则在第一个产生仲裁失败的符号后，停止发送剩余的符号串，并在下一个仲裁时隙中继续参加总线使用权的仲裁，直至成功发送数据为止。

4.如权利要求1-3任意之一所述的总线系统，其特征在于，

所述总控台设备周期性的发送广播信号来检测确定总线的拓扑结构，同时检测每个中继器在从信号发送到接收所花费的时间，并以此时间确定时间片的起止定时和仲裁符号速率；

收到来自最末端车厢的时间反馈信号后，总控台设备将反馈信号与上一个检测信号进行比对，若两个检测信号的反馈信号有所不同，则表示总线拓扑结构发生变化，即反馈信号的时间延迟增大表示拓扑结构延长，反馈信号的时间延迟减小则表示总线拓扑结构缩短；

在检测总线拓扑结构有变化后，所述总控台设备根据具体变化来变更系统的传输数据率，若总线拓扑结构延长，降低总线符号传输数据率；若总线拓扑结构缩短，提高总线符号率的传输数据率；

同样检测总线拓扑结构有变化后，所述总控台设备根据总线中增加的中继器数量，对中继器中的光耦合器的分光比率进行调整，并把此调整信号广播至每个中继器；

若检测到总线拓扑结构没有变化，则保持当前设置，不做任何变更。

5.如权利要求4所述的总线系统，其特征在于，当所述总控台设备不发送广播信号时，即对目标设备进行单播时，要进行仲裁后才能使用主干数据总线；

所述总控台设备具有最高优先级，当有数据发送时，在仲裁总线上发送其设备符号串，并准备在最近的新的时间片的起始时刻开始发送数据。

6.如权利要求4所述的总线系统，其特征在于，

所述总控台设备的数据接收模块，除了接收作为目标设备时接收总线上的数据外，所述总控台设备检测主干数据总线上的一切数据，并根据其目标地址不同筛选来接收数据总线上传送的数据，以便了解重要通信设备的状态信息。

7.如权利要求1-3任意之一所述的总线系统，其特征在于，

所述中继器还包括控制模块、缓存模块、数据接收模块、T型光耦合器和总线优先级符号生成器；

所述控制模块在所述中继器接收来自其管辖内的通信设备的数据时，先对所述数据的目标设备进行检测，当检测到上述目标设备为所述中继器下的通信设备，则不对该数据分配缓存空间，并直接发送至目标设备；当检测到上述目标设备挂接在其他中继器下，则所述控制模块为其分配缓存空间，并进行存储；

所述缓存模块用于存储来自挂接在所述中继器上的通信设备的数据，至少能够存储一个数据帧的大小，若存储的数据量小于一个数据帧，在数据总线上传输时，则要填充至一个数据帧长度。

8.如权利要求7所述的总线系统，其特征在于，

所述总线优先级符号生成器，根据上一个时间片仲裁期间内所述缓存模块中存储的数据量和所述中继器设备符号串产生具有唯一性的、多进制符号串构成的优先级符号串，并发送至所述仲裁控制模块，并参加下一个仲裁帧中主干数据总线的使用权的竞争；

所述T型光耦合器，通过一定功率比例从主干数据总线上分离光信号至中继器的所述数据接收模块，或从所述缓存模块传送光信号至主干数据总线上，具体比例系数由所述总控台设备来决定；

所述数据接收模块，接收到主干数据总线上的数据后，检测其目标地址是否为当前中继器下的通信设备，若是当前设备，则向下发送数据，若不是则不再接收其余的数据。

9.如权利要求8所述的总线系统，其特征在于，所述T型光耦合器：从所述T型光耦合器的中部分离出的光信号功率，应该控制在从头部两端输入的光信号功率的-20dB～-3dB之间。

10.如权利要求7所述的总线系统，其特征在于，

所述通信设备包含数据收发模块；并根据设备的不同，可具有执行模块和采集模块；

所述通信设备只能通过所述中继器与总控台设备和其他通信设备进行数据交互，向直连的中继器发送数据时，无需进行总线仲裁，直接传送，并由所述中继器的所述控制模块决定所传数据的走向；

某些重要的通信设备可发送突发事件信号，当通信设备出现故障时，将发出突发事件信号，收到该数据的中继器，将不缓冲该数据进入所述缓存模块，而是直接传输至主干系统，并经由主干系统传输至所述总控台设备。

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