CN1280139C - 一种车载can总线光纤集线器 - Google Patents

Abstract

一种车载CAN总线光纤集线器，涉及汽车内部各电子装置之间信息交换的一种串行通信装置。它由N个塑料光纤发送接收及无损仲裁电路[I]、信号变换电路[II]组成，通过电线将N个塑料光纤发送接收及无损仲裁电路[I]和信号变换电路[II]连接为一体。从塑料光纤传送来的光信号经塑料光纤接收电路变换为电信号后，通过与光电接收电路相关联的线与逻辑运算二极管进行处理，再经信号变换电路变换为适合塑料光纤发送电路的电信号，最后通过塑料光纤发送电路变换为光信号，再由塑料光纤传送到其它电子装置，由此实现CAN总线塑料光纤传输。本发明用塑料光纤替代现有金属双绞线，成本低廉，提高CAN总线的数据通信速率和数据传输的成功率，保证了数据的实时性。

Description

一种车载CAN总线光纤集线器

所属技术领域

本发明一种车载CAN总线光纤集线器，涉及汽车内部各电子装置之间信息交换的一种串行通信装置。

背景技术

CAN总线是实现现代汽车内部各电子装置之间信息交换的一种串行通信方式。其方法是，利用一对金属双绞线分别连接各个电子装置中CAN通信接口集成电路的输出信号CANH和CANL信号输出端，构成数据通信网络，完成汽车内部电子装置之间的信息交换。

汽车内部各电子装置之间的数据交换对实时性要求较高，现有汽车内部的CAN总线系统中，其通信介质是金属双绞线。随着汽车内部电子装置的增加，电子装置之间的数据交换越来越频繁，提高CAN总线的数据传输速率和数据传输的成功率，是保证数据实时性的一项行之有效的措施。由于汽车内部恶劣的电磁环境，阻碍了基于金属双绞线CAN总线系统数据传输速率的提高和数据传输成功率的提高。塑料光纤具有成本低、数据传输率高、抗电磁干扰能力强和数据传输安全等特点，随着塑料光纤实用化和产业化的发展，为车载CAN总线系统提供了一种以低成本获得高数据传输率和高数据传输成功率传输介质的选择机会。但是CAN总线有一特殊的总线仲裁机制——无损仲裁。无损仲裁是实施CAN总线多主拓扑结构的重要机制。该机制是：如果总线上的电子装置都发送高电平时，其总线上所有电子装置接收到的都是高电平；如果总线上的电子装置中只有一个发送低电平，其总线上所有电子装置接收到的都是低电平，这实质上是将各个电子装置中发出的信号经逻辑与运算在总线上传输。如果总线上发送高电平的电子装置检测到总线传输的是低电平，则停止高电平的发送。

在以金属双绞线为通讯介质的CAN总线系统中，无损仲裁是由各个电子装置内部的CAN总线接口电路和金属双绞线协同完成。由于总线上所有电子装置都是通过金属双绞线连接到一起的，而CAN总线接口电路的输出采用的是三极管集电极开路方式，将所有以三极管集电极开路方式构成的CAN总线接口集成电路用金属导线连接到一起，其实质是进行线与逻辑运算。而塑料光纤的光特性和金属双绞线的电特性有着明显的区别，它是不能通过简单的方式直接相连接的，也就是塑料光纤代替金属双绞线的CAN总线系统中，是不可能借助CAN总线的现有技术通过简单的变换实现CAN总线特有的无损仲裁，同时塑料光纤作为一种新型的通信介质，其在实际的应用还处于拓展阶段，用塑料光纤取代现有CAN总线系统传输介质——金属双绞线是一项核心技术。目前在中国汽车电子领域中还没有见到塑料光纤在CAN总线的应用实例。

发明内容

本发明提供一种车载CAN总线光纤集线器，在塑料光纤的配合下取代现有CAN总线的CAN接口集成电路和金属双绞线，由该集线器完成以塑料光纤为传输介质CAN总线系统的无损仲裁和数据分配。

本发明所采用的技术方案是：将电子控制装置中CAN总线控制集成电路的输入连接塑料光纤接收元件，CAN总线控制集成电路的输出连接塑料光纤发送元件，利用两根塑料光纤连接到本发明的车载CAN总线塑料光纤集线器对应的发送接收装置上，通过车载CAN总线塑料光纤集线器实现各个电子装置之间数据传输。车载CAN总线塑料光纤集线器含有N对塑料光纤接收电路、无损仲裁电路及其塑料光纤发送电路、信号变换电路。从塑料光纤传送来的光信号经塑料光纤接收电路变换为电信号后，通过塑料光纤接收电路相关联的线与逻辑运算二极管进行处理，再经过信号变换电路变换为适合塑料光纤发送电路的电信号后，最后通过塑料光纤发送电路变换为光信号，再由塑料光纤传送到其它电子装置，由此实现CAN总线塑料光纤传输。

和现有CAN总线车载网络相比，本发明解决了CAN总线系统用塑料光纤替代现有金属双绞线的核心技术问题，实现了车载CAN总线系统以低成本获得高数据传输率和高数据传输成功率。

本发明的有益效果是：使车载CAN总线系统继承了现有CAN总线固有的特性，提高CAN总线的数据通信速率和数据传输的成功率，保证了数据的实时性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的结构方框图。

图2是本发明的塑料光纤发送接收及无损仲裁电路原理图。

图3是本发明的信号变换电路原理图。

图4是由本发明组成的车载CAN总线系统结构方框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细说明本发明的电路原理和工作原理。

图1是本发明“车载CAN总线塑料光纤集线器”具体实施方式的结构方框图，它由N个塑料光纤发送接收及无损仲裁电路I、信号变换电路II组成，通过电线将N个塑料光纤发送接收及无损仲裁电路I和信号变换电路II连接为一体；11是可实施线与逻辑运算的接收信号；12为N个塑料光纤发送接收及无损仲裁电路的发送信号。每个独立塑料光纤发送接收及无损仲裁电路对应一个CAN总线电子控制器。图1I中的塑料光纤发送接收及无损仲裁电路的详细说明如图2所示。

图2是本发明“车载CAN总线塑料光纤集线器”的塑料光纤发送接收及无损仲裁电路原理图，它由塑料光纤收发元件23、电阻R21、电容器C21、电容C22、电容C23、电容C24和二极管D21组成。电容器C21和电容C22、电容C23和电容C24并联后一端接+5V电源，另一端接电源地，构成电源去耦电路。电容C21和C23可选择容量为0.01uF至0.1uF的陶瓷电容，电容C22和C24可选择容量为4.7uF至10uF的陶瓷电容。塑料光纤收发元件23是Infineon公司生产的SPF MIR302塑料光纤发送接收元件，其输入/输出电信号电平符合TTL电平，最高数据率可达到50Mbaud；塑料光纤收发元件23的3脚和9脚接+5V电源，2脚和6脚接电源地，构成供电回路；4脚通过电阻R21连接到电源地，改变R21的阻值可改变发送电流的大小，其阻值范围为130KΩ至250KΩ；1脚连接到发送信号22，构成发送电路；8脚连接到二极管D21的阴极，接收信号21连接到二极管D21的阳极；N个独立的塑料光纤发送接收及无损仲裁电路的接收信号21连接到一起，构成图1I中可实施线与逻辑运算的接收信号11；N个独立的塑料光纤发送接收及无损仲裁电路的发送信号22连接到一起，构成图1I中的塑料光纤发送接收及无损仲裁电路发送信号12。

由于在光电接收电路的输出增加了一个二极管D21，塑料光纤收发元件23的电信号输出通过二极管D21实现线与逻辑运算，因此当塑料光纤收发元件23输出为低电平时，由于二极管D21的作用，其接收信号21的电平将在1V左右，而塑料光纤收发元件23的发送信号22要求的低电平应小于0.8V，因此接收信号21线与后的11不能直接作为塑料光纤收发元件23的发送信号，需要将接收信号21的低电平变换到0.8V以下时，才能满足塑料光纤收发元件23的发送信号要求。信号变换由图3所示的电路来完成。

图3是本发明“车载CAN总线塑料光纤集线器”的信号变换电路原理图。它由接收信号31、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电容C31、电容C32、发光二极管D31、比较器U31A和发送信号32组成。发光二极管D31为正向压降小于1.6V的普通发光二极管。电阻R31一端连接到+5V电源电压，另一端连接到发光二极管D31的阳极和比较器U31A的负输入2脚，电阻R31的阻值范围为330Ω至1KΩ；发光二极管D31的阴极连接到地，为比较器U31A提供1.5V左右的比较参考电压；阻值范围为3KΩ至10KΩ的电阻R32一端连接到+5V电源电压，另一端与比较器U31A的正输入3脚和接收信号31连接一起，再与图1I中的11连接，在塑料光纤发送接收及无损仲裁电路中的二极管D21的配合下，组成线与逻辑运算单元；阻值范围为1KΩ至10KΩ电阻R33的一端连接到+5V电源电压，另一端连接到比较器U31A的输出1脚和输出信号32，再与图2I中的12连接，增加R33的阻值将降低功耗，但负载能力下降；容量为0.01uF至0.1uF的陶瓷电容C31和容量为4.7uF至10uF的陶瓷电容C32并联后，一端连接到+5V电源压，另一端连接到电源地构成电源去耦电路。当图1I中所有塑料光纤发送接收及无损仲裁电路输出高电平时，此时接收信号31上的电平将大于1.5V，比较器的正端电压高于负端电压，此时比较器的输出为高电平。因为比较器的输出就是发送信号32，而发送信号与图2I中所有光纤发送电路的输入12是连接到一起的，通过塑料光纤传输，此时图4IV所有电子装置的CAN控制器接收到的是高电平；当图1I中只要有一路塑料光纤发送接收及无损仲裁电路输出低电平时，此时接收信号31上的电平将小于1V，比较器的正端电压低于负端电压，此时比较器的输出为低电平，通过塑料光纤传输，此时图4IV所有电子装置的CAN控制器接收到的是低电平；从而完成了CAN总线的实现CAN总线的无损仲裁和数据分配。

图中所有电阻的功率为0.25W，电容的耐压在10V至50V之间，比较器的型号为LM193，二极管D21的型号为1N4148。实现线与逻辑运算的二极管D21可根据不同的要求采用硅二极管和肖特基二极管。

图4由本发明构成的车载CAN总线系统的结构方框图，它由N个含有塑料光纤发送接收及无损仲裁电路的CAN总线电子装置III和车载CAN总线塑料光纤集线器IV组成，III和IV用塑料光纤连接为一体。一个车载CAN总线塑料光纤集线器可以连接N个电子装置，N的数量取决于车载CAN总线塑料光纤集线器，综合多种因素，在本发明中N不大于32。

该车载CAN总线集线器的工作过程是：当图4IV中的所有CAN总线电子装置发送的电平都是高电平时，经过塑料光纤的传输后，图2中塑料光纤收发元件23的输出信号将是高电平，与图2二极管D21阳极相连接的接收信号21也为高电平，即图1I中所有光电发送接收电路的输出都是高电平，因为图1I中所有塑料光纤发送接收及无损仲裁电路的输出通过一个二极管D21连接到一起实施线与逻辑运算，则图1中的11也为高电平，因图1中的11是和图3中的接收信号31是相连的，而高电平是大于1.5V，所以图3中的发送信号32也为高电平，此高电平信号经图112后分配到图2中收发元件的发送信号22，经塑料光纤最后传输到图4IV中的所有CAN总线电子装置的也是高电平。当图4IV中的所有CAN总线电子装置中，只要有一个CAN总线电子装置发送的是低电平，经过塑料光纤的传输后，其图2中相应收发元件23的输出信号将是低电平，其接收信号21也是低电平，因为图1I中光电发送接收电路的输出通过一个二极管连接到一起实施的线与逻辑运算，则图2中的21同样是低电平，与其相连图3中的接收信号31将小于1.5V，所以图3中的发送信号32将是低电平，此低电平信号经图112分配到图2中各光电发送接收电路中的发送信号22，最后经塑料光纤传输到图4IV中所有CAN总线电子装置的也是低电平，从而实现CAN总线的无损仲裁。

本发明不但适用汽车行业，而且还适用于采用CAN通信的工业控制及其它电磁环境恶劣的领域。

Claims (4)

1.一种车载CAN总线光纤集线器，其特征是由N个塑料光纤发送接收及无损仲裁电路[I]、信号变换电路[II]组成，通过电线将N个塑料光纤发送接收电路[I]和信号变换电路[II]连接为一体；每个独立塑料光纤发送接收电路对应一个CAN总线电子控制器。

2.根据权利要求1所述的车载CAN总线光纤集线器，其特征是所述的塑料光纤发送接收及无损仲裁电路[I]由塑料光纤收发元件[23]、电阻[R21]、电容[C21]、电容[C22]、电容[C23]、电容[C24]和二极管[D21]组成；电容器[C21]和电容[C22]、电容[C23]和电容[C24]并联后一端接+5V电源，另一端接电源地，构成电源去耦电路；塑料光纤收发元件[23]的3脚和9脚接+5V电源，2脚和6脚接电源地，构成供电回路；4脚通过电阻[R21]连接到电源地，改变[R21]的阻值可改变发送电流的大小；1脚连接到发送信号[22]，构成发送电路；8脚连接到二极管[D21]的阴极，接收信号[21]连接到二极管[D21]的阳极；所有N个独立的塑料光纤发送接收电路的接收信号[21]连接到一起构成实施线与逻辑运算后的接收信号[11]，所有N个独立的塑料光纤发送接收电路的发送信号[22]连接到一起构成光纤发送接收电路[I]的发送信号[12]。

3、根据权利要求1所述的车载CAN总线光纤集线器，其特征是所述的信号变换电路[II]由接收信号[31]、电阻[R31]、电阻[R32]、电阻[R33]、电容[C31]、电容[C32]、发光二极管[D31]、比较器[U31A]和发送信号[32]组成；发光二极管为正向压降小于1.6V的普通发光二极管；电阻[R31]一端连接到+5V电源电压，另一端连接到发光二极管[D31]的阳极和比较器[U31A]的负输入2脚，发光二极管[D31]的阴极连接到地，为比较器[U31A]提供1.5V左右的比较参考电压；电阻[R32]一端连接到+5V电源电压，另一端与比较器[U31A]的正输入3脚和接收信号[31]连接一起，再与光纤发送接收电路[I]中的[11]连接，在塑料光纤发送接收及无损仲裁电路中的二极管[D21]的配合下，组成线与逻辑运算单元；电阻[R33]的一端连接到+5V电源电压，另一端连接到比较器[U31A]的输出1脚和输出信号[32]，再与塑料光纤发送接收及无损仲裁电路[I]中的[12]连接；电容[C31]和电容[C32]并联后，一端连接到+5V电源电压，它们的另一端连接到电源地构成电源去耦电路。

4、根据权利要求1至3的任何一项所述的车载CAN总线光纤集线器，其特征是所述的塑料光纤收发元件[23]的电信号输出通过二极管[D21]实现线与逻辑运算，二极管[D21]可采用硅二极管或肖特基二极管。

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