CN111510219A - 一种总线型网络中双向光纤通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种总线型网络中双向光纤通信的方法，在无源光纤数据总线线缆上增加一组基于电的仲裁总线，同时将光纤数据总线的传输时间划分成持续时间相同的短的时间片,将基于电的仲裁总线的传输时间划分成持续时间相同的短的仲裁时隙，上述仲裁时隙的时间长度不大于时间片的时间长度；在仲裁时隙的开始仲裁控制模块将多进制符号串逐位和基于电的仲裁总线上的电压进行比较从而控制多进制符号的输出；发送完整仲裁帧的节点设备在下一个时间片依次将缓存及控制模块中待发数据通过数据传输模块转化为光信号在光纤数据总线上进行数据传输。通过基于电的仲裁方法的协助，解决了光纤数据总线中的多点通信共享介质冲突问题，提高了数据传输效率。

Description

一种总线型网络中双向光纤通信的方法

技术领域

本发明涉及光纤网络通信领域，具体地说，一种总线型网络中双向光纤通信的方法。

背景技术

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。目前光纤通信网络中最常见的通信方式是点对点通信。该组网方式比较简单并且通信端点之间不存在访问介质共享和冲突的问题。

众所周知，网络通信的基本拓扑结构，除了最基本的点对点直接连接外，包括了：星形、环形和总线型三种，它们的进一步组合后还可以构成树形、双环形和网格形等复合拓扑结构。在不同的应用场合下，需要选择不同的组网拓扑结构。

目前在光纤组网拓扑结构中，可以采用耦合器件将多条光纤传输介质连接在一起，并使这些光纤传输介质中的光信号可以互通形成总线结构，光分路器可以将多条光纤传输介质中光信号汇集在一个光口进行数据通信形成星形结构。由耦合器件形成的总线包含U型总线、S型总线，但上述两种结构的总线均需要在总线两端进行额外处理，或者将光路环回或者将光功率完全吸收，如果总线较长，就很难进行故障检测，总线拓展也很困难。而由双向T型光耦合器解决了光功率可以在光缆媒介中进行传输的问题，因此可用多个双向T型光耦合器串接构成的光纤总线结构，由于挂接在无源光纤传输总线上的每个节点都可以随时发送光信号，因此存在多个通信节点共享介质冲突的问题。

目前主流的避免冲突的方法有：以太网的载波监听多路复用/冲突检测协议、TCP/IP协议以及类似TCP/IP的自定义通信协议等。但是上述方法均存在一个问题，即当总线长度很长，且需要发送的数据较短时，由于时延原因导致总线的利用率非常低，大部分时间都是在进行冲突检测或者等待应答。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决光纤传输中多点通信的光漏斗效应和共享介质访问冲突问题，用简单低成本的方法、实现光纤数据总线的高可靠性光无源直连传输。

本发明公开的一种总线型网络中双向光纤通信的方法所采用的技术方案是:

将共享光传输介质的冲突问题剥离光纤数据传输本身，利用基于电的仲裁总线及仲裁控制模块定义好节点设备在下一个时间片的数据发送顺序，来解决光纤传输中多点通信的共享介质冲突问题。

一种总线型网络中双向光纤通信的方法包括以下步骤：

步骤一、在无源光纤数据总线线缆上增加一组基于电的仲裁总线，所述基于电的仲裁总线是用来传输仲裁控制信号的铜质电缆线，同时将光纤数据总线的传输时间划分成持续时间相同的短的时间片,将基于电的仲裁总线的传输时间划分成持续时间相同的短的仲裁时隙，上述仲裁时隙的时间长度不大于时间片的时间长度；其中，时间片是一个传输数据帧的持续时间，仲裁时隙是传输一个仲裁帧的持续时间；

步骤二、在仲裁时隙的开始仲裁控制模块将多进制符号串逐位和基于电的仲裁总线上的电压进行比较从而控制多进制符号的输出；

步骤三、发送完整仲裁帧的节点设备在下一个时间片依次将缓存及控制模块中待发数据通过数据传输模块转化为光信号在光纤数据总线上进行数据传输，若没有空闲光纤则节点设备待下一个时间片的开始重复步骤二，对于没有输出完整多进制符号串的节点设备视为竞争失败重复步骤二。

上述一种总线型网络中双向光纤通信的方法主要应用于光纤总线型网络系统，该网络系统包括：基于电的仲裁总线、光纤数据总线、多个节点设备、主干接口、T型光耦合器，所述节点设备包含仲裁控制模块、数据传输模块、缓存及控制模块，所述仲裁控制模块通过主干接口连接至基于电的仲裁总线，所述数据传输模块通过T型光耦合器耦合至数据总线，所述缓存及控制模块分别连接仲裁控制模块及数据传输模块。

对光纤数据总线的传输时间划分成持续时间相同的短的时间片,将基于电的仲裁总线的传输时间划分成持续时间相同的短的仲裁时隙，上述仲裁时隙的时间长度不大于时间片的时间长度。其中，时间片是一个数据帧传输需要的时间，仲裁时隙是一个仲裁帧传输所需时间。

在仲裁时隙内，所述仲裁控制模块将多进制符号串逐位与基于电的仲裁总线上的电压进行比较，若所述多进制符号的优先级高于基于电的仲裁总线上的电压优先级则发送成功，所述多进制符号被输出至仲裁总线，若所述多进制符号的优先级低于所述仲裁总线上的电压的优先级则发送失败，所述仲裁控制模块在本时间片内停止剩余多进制符号的竞争，待下一个时间片进行总线竞争；在仲裁时隙内发送完整仲裁帧的节点设备将在下一个时间片内依次将待发数据通过数据传输模块发送至光纤数据总线，直至所有光纤数据总线被分配完，若没有空闲光纤则节点设备则进入下一个时间片的总线竞争。

请参考图3，节点设备的仲裁控制模块包括仲裁电路，仲裁电路包括逻辑线或电路，逻辑线或电路包括场效应管和第一比较器，场效应管漏极作为逻辑线或电路输入端，场效应管栅极与第一比较器输出端连接，场效应管源极作为逻辑线或电路输出端，第一比较器的反相输入端与场效应管源极连接，所述第一比较器同相输入端与场效应管漏极连接。

若逻辑线或电路的输入端电压高于其输出端电压，即第一比较器同相输入端电压高于其反相输入端电压，第一比较器输出高电平驱动场效应管导通，由于场效应管作为开关使用，其导通压降低，其输出端电压被钳制在略小于其输入端电压，相当于场效应管则将输入的多进制符号进行输出，反之第一比较器输出低电平，场效应管截止。

逻辑线或电路还包括输入缓冲器，输入缓冲器输出端与场效应管输入端连接。

逻辑线或电路还包括清除电路，所述清除电路包括下拉电阻和开关管，所述下拉电阻一端与逻辑线或输出端连接，所述下拉电阻另一端与开关管输入端连接，所述开关管输出端接地，所述开关管的控制端与逻辑线或电路输入端的设备连接，所述设备在时隙结束时控制开关管导通。导线在高频状态下存在寄生电容，会影响到逻辑线或电路后续输出的多进制符号，而在时隙结束时到导通开关管，将寄生电容引入接地消除，这样在下一个时隙开始，也就是下一个多进制符号输出，就不会受到寄生电容的影响。通常情况下选择场效应管作为开关管。

进一步的，仲裁电路还包括误差消除电路，误差消除电路输入端与逻辑线或电路输出端连接，误差消除电路输出端与逻辑线或电路输入端的设备连接，误差消除电路包括：

门限电路，用于提供与多进制符号对应的若干门限电压，所述门限电压用于区分所述不同电压幅值的状态；

再生电路，所述再生电路包括与门限电压对应的若干第二比较器和若干分压电阻，每一个第二比较器的同相输入端与仲裁总线连接，每一个第二比较器的反相输入端用于不同门限电压输入，每一个第二比较器输出端串联一个分压电阻，分压电阻之间并联连接，第二比较器将多进制符号与门限电压比较后，生成逻辑电平，全部的逻辑电平经过分压电阻分压后生成多进制符号对应的标准电压，逻辑线或电路输入端的设备将误差消除电路输出的标准电压与其输出多进制符号进行比较，若两者一致，则所述设备成功发送多进制符号；

以及，零增益运算放大器，标准电压经过零增益运算放大器缓冲后输出。

仲裁控制模块将多进制符号与仲裁总线上的电压进行比较，如果多进制符号的电压值高于仲裁总线上的电压，则具有优先级，并将多进制符号输出至仲裁总线。这个特性称为“线或”功能，即相当于逻辑“或”运算，输出端自动选择电压值大的多进制符号进行输出，不需要进行冲突检测。通常参与仲裁的节点设备输出多进制符号串，多进制符号串之间进行逐位比较，具有优先级的多进制符号进行输出，并继续发送下一位的多进制符号，能够将多进制符号串序列完整发送的设备获得仲裁优先权，并将待发数据发送至中继设备。

请参考图4，本发明中，采用多电平表示多进制符号来进行仲裁信号的传输，相比二进制符号来进行仲裁信号的传输，相同时间内可以传输更多的信息，大大的提高了仲裁效率。

具体的实现过程如下：

设定有三个节点设备参与优先级仲裁。

对应的，总线控制模块有3个传感器接入，对应的有三个逻辑线或电路100和三个误差消除电路200。逻辑线或电路100输出端与误差消除电路200输入端连接，误差消除电路200输出端与逻辑线或电路100输入端的设备连接。

由于三个误差消除电路其结构相同，为了方便说明，图3中只包括三个逻辑线或电路和一个误差消除电路。

现以一个5V逻辑系统来对本电路进行说明，多进制符号包括五种状态，定义低于1V为电平0，其标准电压为0.5V；1.1V-1.9V之间为电平1，其标准电压为1.5V；2.1V-2.9V之间为电平2，其标准电压为2.5V；3.1V-3.9V之间为电平3，其标准电压为3.5V；4.1V以上为电平4，其标准电压为4.5V。其它电压值为电平过渡电压，需要就近舍入最近的电平。当所有输入端口均未接入而呈现高阻状态时，默认输出电平0。

那么本实施例的电路可用于五进制符号的仲裁信号传输。电平0表示符号“0”，电平1表示符号“1”，以此类推。

由上述可知，多进制符号包括四个门限电压，分别为1V、2V、3V和4V。相对应的，门限电路包括5个串联的电阻，每个电阻分得1V电压，对应的门限电压分别为4V、3V、2V和1V，分别对应图3中的节点10-13。

对应的，再生电路包括4个比较器和4个分压电阻，每一个比较器的同相输入端与同一多进制符号输入连接，每一个比较器的反相输入端与不同门限电压连接，每个比较器的输出端串联一个分压电阻，分压电阻之间并联连接。当比较器的同相输入端电压高于反相输入端电压时，比较器输出逻辑高电平，反之则输出逻辑低电平。全部比较器输出的逻辑高电平或逻辑低电平经过分压电阻分压后生成多进制符号对应的标准电压。

若推导其它多进制符号的仲裁信号传输电路时，只需改变门限电压的数量，而比较器和分压电阻进行对应的数量改变即可。

比较器输出的高电平和低电平的电压幅值由比较器的驱动电压所控制，本实施例中，为方便理解，比较器输出的高电平为4.5V，低电平为0.5V，与比较器输出端串联的分压电阻阻值都相等，令其阻值为R。但是需要说明的是，实际上，比较器输出的高电平幅值、低电平幅值和分压电阻的阻值，都是可以通过所需结果进行计算得到。

假设节点1输入电平3，标准电压为3.5V,节点2输入电平2，标准电压为2.5V，节点3输入电平1，标准电压为1.5V。

由上述分析可知，节点4为高电平输出，节点5输出电压略小于3.5V。即输出电平3。

由于3.5V只小于4V的门限电压，所以节点6输出低电平0.5V，节点7、8和9均输出高电平4.5V。此时输出out的电压为：

正好是电平3对应的标准电压。接口控模块将误差消除电路输出的标准电压与输入的电平进行比较，最后判断与节点1输入的电平一致，而与节点1连接的节点设备获得仲裁优先权。

假设输入第一位电平时，节点1输入电平2，标准电压为2.5V，节点2输入电平2，标准电压为2.5V，节点3输入电平1，标准电压为1.5V。假设电平在传输过程中受到干扰，变为节点1输入2.7V，节点2输入2.2V，节点1输入1.3V。

由上述分析可知，节点4为高电平输出，节点5输出电压略低于2.7V。由于2.7V高于2V而小于3V的门限电压，所以节点9和8输出高电平4.5V，节点6和7均输出低电平0.5V。

此时输出out的电压为：

正好是电平2对应的标准电压。

假设输入第二位电平时，节点1输入电平4，标准电压为4.5V，节点2输入电平2，标准电压为2.5V，节点3输入电平3，标准电压为3.5V。由上述分析可知，节点4为高电平输出，节点5输出电压略小于4.5V。假设在传输过程中受到干扰，4.5V变为4.8V。

由于4.8V高于所有的门限电压，所以节点9、8、7和6均输出高电平4.5V。此时输出out的电压为4.5V,正好是电平4对应的标准电压。逻辑线或输入端的设备将误差消除电路输出的标准电压与其输入的电平进行比较，在进行第一位电平比较时，节点1和节点2与输入的电平一致，继续第二位电平的比较，只有节点1与输入的电平一致，最后判断与节点1输入的电平一致，而与节点1连接的设备获得仲裁优先权。

由上述可知，逻辑线或电路能够选择输出电压值最高的多进制符号，多进制符号经过再生电路后产生若干逻辑电平，而若干逻辑电平通过分压电阻生成多进制符号对应的标准电压，即多进制符号，保证了数字电路逻辑判断的准确性，同时逻辑线或电路的导通压降低，在相同的电压幅值下可以划分更多不同状态的电平。多进制符号与门限电压进行比较，生成逻辑电平，先消除了多进制符号的传输噪声和误差。进一步的，由于多进制符号串是和门限电压进行比较，因此生成的逻辑电平带有多进制符号的信息和特征，而根据这些信息和特征将逻辑电平转换为多进制符号对应的标准电压。由常识可知，同一电压幅值内划分越多的电平，则相邻状态的电平之间的电压差值越小，这样容易导致数字电路的逻辑判断错位。而本电路使用多电平表示多进制符号的同时，通过误差再生电路消除了多进制符号的传输误差，提高了多进制符号状态判断的准确性。

作为优选方案，请参考图1和图5所述光纤数据总线包含至少两对光纤，所述仲裁总线包含一对铜双绞线，在仲裁时隙内发送完整多进制符号串的节点设备，在下一个时间片内根据仲裁顺序依次选择一对光纤进行数据传输，仲裁总线在一个时间片内仲裁时隙数量不少于光纤数量。

作为优选方案，所述仲裁帧的多进制符号串包括数据量标识符，所述数据量标识符用于表示待发数据的数据量，所述待发数据较多的多进制符号电压幅值高于待发数据较少的多进制符号电压幅值，当所述节点设备没有成功发送多进制符号串，则将所述待发数据进行缓存。提升待发数据较多的节点设备对应的多进制符号串优先级，可以有效防止节点设备数据内存溢出的风险。

所述仲裁帧结构包括：优先级码，即所述多进制符号串，用于表示待发数据的节点设备的优先级；源设备标识符，用于标识待发送数据的节点设备。所述数据帧结构包括：目标设备标识符，用于标识待接收数据节点设备；源设备标识符，用于标识待发送数据的节点设备；数据长度，用于说明有效数据的长度；数据，用于表示有效数据要发送的内容。根据数据帧中的目标设备标识符判断从所述光纤数据总线接收的数据是进行存储还是丢弃。

作为优选方案，请参考图1和图6所述基于电的仲裁总线和光纤数据总线上的时间片长度一致，将所述仲裁总线的一个时间片划分为至少三个仲裁时隙，所述数据总线的一个时间片可以划分为至少两个数据时隙，所述仲裁时隙的数量不低于一根光纤数据总线的数据时隙个数和剩余光纤数据总线的数量；

在第一个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时间片的第一个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；

在第二个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时间片的第二个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输，那么在下一个时间片的开始将将待发数据通过数据传输模块发送至另一对空闲的上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；

在第三个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输且所述数据总线时隙包括有三个数据时隙，那么在下一个时间片的第三个数据时隙开始将其待发数据通过数据传输模块发送至所述其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；如果待发数据只需要在一个时隙内传输且一个数据总线时间片只包括两个数据时隙，那么在下一个时间片的第一个时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至另一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；若其待发数据需要一个完整时间片来传输且还有另一对空闲的上下行光纤，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述另一对空闲的上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，依次类推，直至所有光纤被分配完，仲裁控制模块停止发送后续的多进制符号串，直到本时间片结束。

所述用于竞争数据时隙的多进制符号串的优先级高于所述用于竞争数据时间片的多进制符号串的优先级，优先级在所述仲裁帧中的优先级码中体现。

上述定义竞争时隙及时间片的优先级，因此在同一时间片内，当所有竞争时隙的节点设备的待发数据全部分配完传输光纤及对应时隙后，当系统仍存在空闲光纤时才会对竞争时间片的节点设备的待发数据进行光纤分配，上述过程只需要在单个时隙内依次扫描数据线子时隙占用情况，按照顺序选择光纤及时隙进行传输。上述过程适合节点设备的待发数据大部分均是短数据的情况。如果节点设备发送数据较长且对时延要求比较高，可以在多进制符号串内不标识竞争时隙或者时间片的优先级，在一个时间片内实时监测每根光纤及每个上光纤上数据时隙的剩余情况，动态调整待发数据占用的传输总线及传输时隙，具体实现方式如下：

在第一个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时间片的第一个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；

在第二个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若光纤数据总线的一对上下行光纤的第一个时隙被占用，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时间片的第二个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至另一对空闲的上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；若一对上下行光纤的整个时间片被占用，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时间片的第一个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至另一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至另一对空闲的上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；

在第三个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若光纤数据总线的一对上下行光纤的第一、第二个时隙被占用，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输且所述光纤数据总线时隙包括三个数据时隙，那么在下一个时间片的第三个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，如果待发数据只需要在一个时隙内传输且一个光纤数据总线时间片只包括两个数据时隙，那么在下一个时间片的第一个时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至另一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；若光纤数据总线的一对上下行光纤的第一时隙及第二对上下行光纤的所有时隙被占用，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时隙的第二个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输且还有第三对空闲的上下行光纤，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至第三对空闲的上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若无第三对上下行光纤则停止发送进多进制符号串，待下一个时间片重新参与竞争；若光纤数据总线的一对上下行光纤的所有时隙及第二对上下行光纤的第一时隙被占用，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时间片的第二个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述第二对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输且还有第三对空闲的上下行光纤，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述第三对空闲的上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若无第三对上下行光纤则停止发送进制符号串，待下一个时间片重新参与竞争；若光纤数据总线的一对上下行光纤的所有时隙及第二对上下行光纤所有时隙被占用，只要系统存在第三对空闲的上下行光纤，不管是占用时隙传输还是时间片传输，均在第三对上下行光纤上进行数据传输，若无第三对上下行光纤则停止发送进制符号串，待下一个时间片重新参与竞争。

作为优选方案，请参考图2和图7所述基于电的仲裁总线包含一组快仲裁总线和一组慢仲裁总线，规定所述快仲裁总线和光纤数据总线上的时间片长度一致，慢仲裁总线的长时间片为若干慢仲裁时隙的持续时间，所述慢仲裁时隙长于快仲裁时隙的2倍，所述快仲裁时隙、慢仲裁时隙数量不少于所述数据总线中上下光纤对的数量，所述长时间片的持续时间通常长于2倍所述时间片的持续时间；

检测和比对在一个时间片内快仲裁总线和慢仲裁总线上分别收到的第一个仲裁帧，若一个时间片内快仲裁总线和慢仲裁总线上分别收到的第一个仲裁帧中已完成传输的多进制符号串完全相同，慢仲裁总线停止仲裁帧的发送，和快仲裁总线同时进入下一个时间片的仲裁；在第一快仲裁时隙通过快仲裁总线成功发送完整多进制符号串的节点设备，在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至一对上下行光纤，在第二快仲裁时隙通过快仲裁总线成功发送完整多进制符号串的节点设备，在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至另一对上下行光纤，直到所有光纤数据总线被分配完，则进入下一时间片的仲裁。

本发明公开的一种总线型网络中双向光纤通信的方法的有益效果是：在仲裁时隙中节点设备采用仲裁控制模块在仲裁总线上竞争出在下一个时间片内在光纤数据总线上进行数据传输的先后顺序，解决了光纤通信中多点通信共享介质的冲突问题。节点设备的仲裁信号由仲裁总线进行传输，节点设备的待发数据由光纤数据总线进行传输。为进一步提高整体数据传输速率，可对上述通信方法进行优化，具体如下：1、光纤数据总线至少包含2对上下行光纤且对仲裁时隙不少于光纤对数，在一个时间片内的所有仲裁时隙内发送成功多进制符号串的节点设备依次选择一对光纤线进行传输，直至所有光纤数据总线被使用完，保证每个时间片内每根光纤数据总线上均存在数据传输，大大提升了数据的传输效率且有效避免了数据碰撞；2、划分时间片形成数据时隙及仲裁时隙，规定竞争时隙高于竞争时间片的优先级，或者一个时间片内实时监测每根光纤及每根光纤上数据时隙的剩余情况，动态调整待发数据占用的光纤数据总线及传输时隙，均能保证每组上线行光纤的使用率达到最大，提升数据传输效率；3、新增一组基电的仲裁总线，两组仲裁总线的仲裁帧按照不同速率进行传输，在提高仲裁的效率上保证了仲裁结果的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种总线型网络中双向光纤通信的方法对应的总线系统结构图。

图2是本发明实施例中一种总线型网络中双向光纤通信的方法对应的总线系统结构图，此时仲裁总线包含一组快仲裁总线及一组慢仲裁总线。

图3是本发明一种总线型网络中双向光纤通信的方法对应的总线系统的逻辑线或的电路示意图。

图4是本发明一种总线型网络中双向光纤通信的方法对应的总线系统的仲裁电路的电路示意图。

图5是本发明一种总线型网络中双向光纤通信的方法的流程图，此时仅仲裁总线对时间片进行时隙划分。

图6是本发明一种总线型网络中双向光纤通信的方法的流程图，此时仲裁总线及数据总线均对时间片进行时隙划分。

图7是本发明一种总线型网络中双向光纤通信的方法的流程图，此时利用两组传输速率不同的仲裁总线进行仲裁，动态调节光纤数据总线上数据传输的速率。

具体实施方式

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:

请参考图2及图7，双向光纤通信的总线型组网系统包括：

所述光纤数据总线至少包括两对上下行光纤，所述基于电的仲裁总线包含快仲裁总线及慢仲裁总线，各个节点的数据传输模块连接的主干接口个数、T型光耦合器个数和光纤数量一致。规定所述快仲裁总线和数据总线上的时间片长度一致，所述慢仲裁时总线的长时间片为若干慢仲裁时隙的持续时间，所述慢仲裁时隙长于快仲裁时隙的2倍，所述快仲裁时隙、慢仲裁时隙数量不少于所述数据总线中上下光纤组的数量，所述长时间片的持续时间通常长于2倍所述时间片的持续时间。

这里需要强调的是，发送到基于电的快仲裁总线的多进制符号串是以较快的速率在快仲裁时隙中发送的；发送到基于电的慢仲裁总线的多进制符号串是以较慢的速率在慢仲裁时隙中发送的。

为了说明方便，下面用具体数值举例说明。举例一：取多进制符号串长度为10个符号，快仲裁总线速率为每秒2.5M符号，快仲裁总线的时隙长度为5微秒；慢仲裁总线速率为每秒1M符号，慢仲裁总线时隙长度为14微秒；三组上下行光纤，时间片持续16微秒，包括了3个快仲裁时隙，长时间片持续45微秒，包括了3个慢仲裁时隙。

当节点设备有数据需要发送时，在仲裁时隙的开始，仲裁控制模块的仲裁电路将对应的多进制符号串逐位和基于电的仲裁总线的电压进行比较，若所述多进制符号的优先级高于仲裁总线电压的优先级，则将多进制符号输出至仲裁总线，若所述多进制符号的优先级低于子仲裁总线电压的优先级则停止剩余符号发送，所述仲裁控制模块在本时隙内停止剩余多进制符号的竞争，待下一个仲裁时隙进行数据线竞争，当所述节点设备没有成功发送多进制符号串，则将所述待发数据进行缓存。

对比在一个时间片内快仲裁总线和慢仲裁总线上第一个仲裁帧已传输完成的多进制符号串，当第一个慢仲裁总线上第一个仲裁帧传输结束的时候，10个符号持续了10微秒，短于慢仲裁总线的时隙长度14微秒，也短于时间片的持续时间16微秒。此时快仲裁总线上的第一个仲裁帧在4微秒内就传输结束了。因此在第10微秒至第16微秒的这段时间中，仲裁电路可以对两个不同速率的仲裁总线上发送的相同内容的10个多进制符号串进行比较。

若两者完全相同，则认为上述一个时间片中在快仲裁总线上所有快仲裁时隙内成功发送的多进制符号串全部正确。在下一个时间片，即16微秒后开始，上述节点设备的待发数据，依次选择一组子数据总线进行传输，直至所有数据总线分配完成，未有分配子数据总线的双速率仲裁传感器，则在本时间片，也就是16微秒结束以后，进入下个时间片的子总线竞争。

若两者不完全相同，则将子慢仲裁总线传输的多进制符号串作为数据传输的依据，在下一个长时间片，即45微秒后开始，上述多进制符号串对应的节点设备的待发数据通过数据传输模块经过T型光耦合器依次发送至一对上下行光纤，直至所有光纤被分配完，未有分配光纤的节点设备，则在本次长时间片，也就是45微秒结束以后，进入下个时间片的总线竞争。

举例二：取多进制符号串长度为10个符号；快仲裁总线速率为每秒2.5M符号，快仲裁总线的时隙长度为5微秒；慢仲裁总线速率为每秒0.5M符号，时隙长度为25微秒；三组上下行光纤，时间片持续18微秒，包括了3个快仲裁时隙，长时间片持续90微秒，包括了3个慢仲裁时隙。

在仲裁时隙的开始，仲裁控制模块的仲裁电路将对应的多进制符号串逐位和仲裁总线的电压进行比较，若所述多进制符号的优先级高于仲裁总线电压的优先级，则将多进制符号被输出至仲裁总线，若所述多进制符号的优先级低于仲裁总线电压的优先级则停止剩余符号发送，对应的仲裁控制模块待下一个仲裁时隙进行数据线竞争，当所述节点设备没有成功发送多进制符号串，则将所述待发数据进行缓存。

对比在一个时间片内快仲裁总线和慢仲裁总线上第一个仲裁帧已传输完成的多进制符号串。当在一个时间片内，在快仲裁总线上3个仲裁帧在15微秒内完成传输，而上述15微秒内慢仲裁总线传输了7.5个符号，也就是说第一个慢仲裁帧的多进制符号串只有75％的完成率。因此在第15微秒至第18微秒的这段时间中，仲裁电路可以对两个不同速率的仲裁总线上发送的第一个仲裁帧中已完成传输的多进制符号串进行比较。

若两者完全相同，则认为上述一个时间片中在快仲裁总线上所有快仲裁时隙内成功发送的多进制符号串全部正确。在下一个时间片，即18微秒后开始，上述多进制符号串对应的节点设备的待发数据通过数据传输模块经过T型光耦合器依次发送至一组上下行光纤，直至所有光纤被分配完，未有分配光纤的节点设备，则在本时间片，也就是18微秒结束以后，进入下个时间片的总线竞争。

若两者不完全相同，则将慢仲裁总线传输的多进制符号串作为数据传输的依据，在下一个长时间片，即90微秒后开始，上述多进制符号串对应节点设备的待发数据通过数据传输模块经过T型光耦合器依次发送至一组上下行光纤，直至所有光纤被分配完，未有分配光纤的节点设备，则在本次长时间片，也就是90微秒结束以后，进入下个时间片的总线竞争。

为防止节点设备的缓存及控制模块存在溢出风险，所述仲裁帧的多进制符号串包括数据量标识符，所述数据量标识符用于表示待发数据的数据量，所述待发数据较多的多进制符号电压幅值高于待发数据较少的多进制符号电压幅值。同时节点设备从数据总线接收到数据时，根据数据帧里面的目的设备标识符和自身的设备标识符进行比对，如果一致则将数据存于缓存模块中，如果不一致直接丢弃。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种总线型网络中双向光纤通信的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在无源光纤数据总线线缆上增加一组基于电的仲裁总线，所述基于电的仲裁总线是用来传输仲裁控制信号的铜质电缆线，同时将光纤数据总线的传输时间划分成持续时间相同的短的时间片,将基于电的仲裁总线的传输时间划分成持续时间相同的短的仲裁时隙，上述仲裁时隙的时间长度不大于时间片的时间长度；其中，时间片是一个传输数据帧的持续时间，仲裁时隙是传输一个仲裁帧的持续时间；

步骤二、在仲裁时隙的开始仲裁控制模块将多进制符号串逐位和基于电的仲裁总线上的电压进行比较从而控制多进制符号的输出；

步骤三、发送完整仲裁帧的节点设备在下一个时间片依次将缓存及控制模块中待发数据通过数据传输模块转化为光信号在光纤数据总线上进行数据传输，若没有空闲光纤则节点设备待下一个时间片的开始重复步骤二，对于没有输出完整多进制符号串的节点设备视为竞争失败重复步骤二。

2.如权利要求1所述的一种总线型网络中双向光纤通信的方法，其特征在于，所述光纤数据总线包含至少两对光纤，在仲裁时隙内发送完整多进制符号串的节点设备，在下一个时间片内根据仲裁顺序依次选择一对光纤进行数据传输，仲裁总线在一个时间片内仲裁时隙数量不少于光纤数量。

3.如权利要求2所述的一种总线型网络中双向光纤通信的方法，其特征在于，所述仲裁帧的多进制符号串包括数据量标识符，所述数据量标识符用于表示待发数据的数据量，所述待发数据较多的多进制符号电压幅值高于待发数据较少的多进制符号电压幅值，当所述节点设备没有成功发送多进制符号串，则将所述待发数据进行缓存；

所述仲裁帧结构包括：优先级码，即所述多进制符号串，用于表示待发数据的节点设备的优先级；源设备标识符，用于标识待发送数据的节点设备；

所述数据帧结构包括：目标设备标识符，用于标识待接收数据节点设备；源设备标识符，用于标识待发送数据的节点设备；数据长度，用于说明有效数据的长度；数据，用于表示有效数据要发送的内容；根据数据帧中的目标设备标识符判断从所述光纤数据总线接收的数据是进行存储还是丢弃。

4.如权利要求3所述的一种总线型网络中双向光纤通信的方法，其特征在于，所述基于电的仲裁总线和光纤数据总线上的时间片长度一致，将所述仲裁总线的一个时间片划分为至少三个仲裁时隙，所述数据总线的一个时间片可以划分为至少两个数据时隙，所述仲裁时隙的数量不低于一根光纤数据总线的数据时隙个数和剩余光纤数据总线的数量；

在第一个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时间片的第一个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；

在第二个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输，那么在下一个时间片的第二个数据时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，若其待发数据需要一个完整时间片来传输，那么在下一个时间片的开始将将待发数据通过数据传输模块发送至另一对空闲的上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；

在第三个仲裁时隙成为优胜者的节点设备，若其待发数据只需要在一个数据时隙内传输且所述数据总线时隙包括有三个数据时隙，那么在下一个时间片的第三个数据时隙开始将其待发数据通过数据传输模块发送至所述其中一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；如果待发数据只需要在一个时隙内传输且一个数据总线时间片只包括两个数据时隙，那么在下一个时间片的第一个时隙开始将待发数据通过数据传输模块发送至另一对上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串；若其待发数据需要一个完整时间片来传输且还有另一对空闲的上下行光纤，那么在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至所述另一对空闲的上下行光纤，并停止发送后续的多进制符号串，依次类推，直至所有光纤被分配完，仲裁控制模块停止发送后续的多进制符号串，直到本时间片结束；

所述用于竞争数据时隙的多进制符号串的优先级高于所述用于竞争数据时间片的多进制符号串的优先级，优先级在所述仲裁帧中的优先级码中体现。

5.如权利要求3所述的一种总线型网络中双向光纤通信的方法，其特征在于，所述基于电的仲裁总线包含一组快仲裁总线和一组慢仲裁总线，规定所述快仲裁总线和光纤数据总线上的时间片长度一致，慢仲裁总线的长时间片为若干慢仲裁时隙的持续时间，所述慢仲裁时隙长于快仲裁时隙的2倍，所述快仲裁时隙、慢仲裁时隙数量不少于所述数据总线中上下光纤对的数量，所述长时间片的持续时间通常长于2倍所述时间片的持续时间；

检测和比对在一个时间片内快仲裁总线和慢仲裁总线上分别收到的第一个仲裁帧，若一个时间片内快仲裁总线和慢仲裁总线上分别收到的第一个仲裁帧中已完成传输的多进制符号串完全相同，慢仲裁总线停止仲裁帧的发送，和快仲裁总线同时进入下一个时间片的仲裁；在第一快仲裁时隙通过快仲裁总线成功发送完整多进制符号串的节点设备，在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至一对上下行光纤，在第二快仲裁时隙通过快仲裁总线成功发送完整多进制符号串的节点设备，在下一个时间片的开始将待发数据通过数据传输模块发送至另一对上下行光纤，直到所有光纤数据总线被分配完，则进入下一时间片的仲裁。

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