CN1333560C - 一种适用于强电磁干扰环境下的高性能光纤can通讯系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子应用技术领域，其特征在于：它是一种可进行环状扩展的板内CAN总线与光纤通讯相结合的系统，该总线上的控制节点分包括：主控节点，设在内含环状总线的主控制板上；固定功能辅助控制节点，设在各辅助控制板上；多个扩展控制节点，设在各块相应的扩展控制板上；各控制节点采用光纤通讯与总线相连；所述可扩展控制节点按标号的顺序组成环网，板内总线为环网首尾两个节点预留光纤CAN接口，在各扩展控制板上各由两个CAN接口扩展出分段CAN总线，通过光纤顺序连在一起组成扩展CAN总线环网，各扩展控制板上的控制节点连在相应各板的分段总线上。本发明具有抗干扰能力强、系统可靠性高、节点独立性强、通讯速度快，扩展能力强的优点。

Description

一种适用于强电磁干扰环境下的高性能光纤CAN通讯系统

技术领域

本发明主要涉及在强电磁干扰环境下，设计一种CAN通讯与光纤通讯相结合的高性能通讯系统，提高通讯系统的快速性和可靠性，属于电力电子应用技术领域。

背景技术

CAN(Controller Area Network)总线是德国Bosch公司为汽车电气控制系统开发的一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线范畴。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，它的应用范围遍及高速网络到低成本的多线路网络。它采用了许多新技术和独特的设计，使其在可靠性、实时性和灵活性方面具有突出的优点：支持多个主节点，各节点通过总线仲裁获得总线使用权；通信速率高，最快可达到1Mbps；可靠性高，总线协议具有完善的错误处理机制。这些卓越的性能使CAN总线得以在全球范围内一直保持高速发展。CAN的信息传送采用多主随机发送方式。可实现无冲突的CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)。具有实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强、低成本等优点，在工业自动化、智能建筑、自动测试等领域得到了广泛应用。

目前，光纤这种新的通信载体也已经越来越广泛的应用于通信系统中，与双绞线和同轴电缆相比，光纤的低传输损耗使中继之间距离大为增加。除此以外，光缆还具有不辐射能量、不导电、没有电感，且光缆中不存在串扰以及光信号相互干扰的影响，也不会有在线路“接头处”感应耦合导致的安全问题。因此，采用光纤作传输介质的通讯系统对于提高通讯系统抗电磁干扰性能十分必要。

在中高压大容量变频调速系统中，对通讯系统的要求十分苛刻。大功率开关器件的动作会造成很强的电磁干扰，在这种恶劣的电磁环境下，通讯系统要求有很强的抗电磁干扰能力，光纤广泛采用在通讯系统中。随着控制精度的提高，对采样率和通讯速率有着越来越高的要求。因此，通讯系统还要在光纤通讯的基础上保证高通讯速率和高可靠性。因此，基于光纤的高性能通讯系统的设计十分必要。

CAN总线采用的是差分形式，各个节点都通过CAN接口芯片把各个处理器的通讯的发送(TX)和接收(RX)与总线连在一起。由于总线为差分信号，载体通常为电线，是不能直接转换为光纤来传输数据的，这就对强电磁干扰环境下的应用带来了不便。而光纤通讯正好能可靠的应用于这种环境。如何利用CAN总线的诸多优点，并且与光纤通讯结合起来，实现高性能的光纤CAN通讯系统有着十分重要的意义。

发明内容

现今的中压大功率电力电子变换器的应用和需求越来越广，但是其内部的电磁环境非常恶劣，普通的通讯系统难以完成重任，而采用光纤通讯已经成为趋势，但在光纤通讯的基础上如何保证通讯系统的可靠性、快速性、稳定性也是一大难点。本发明致力于如何把CAN总线和光纤通讯完美的结合在一起，实现了一种应用于强电磁干扰环境下的光纤CAN通讯系统。

CAN总线本身是差分形式，不能转换为光纤在外部传输，所以必须避免这一点，可以选择CAN控制器的发送端(CANTX)和接收端(CANRX)改为光纤传输。因此，本发明采用了总线形式，并且把CAN总线设计到电路板内，同时预留好CAN接口芯片(如82C250或UC5330等)和相应的光纤通讯接口。这样一来，就实现了初步的光纤CAN通讯系统，实现了远距离的抗干扰的光纤通讯。但是，预留CAN接口将导致接入的CAN控制节点数目固定，失去了CAN总线原有的扩展能力，因此本发明又设计了在总线基础上的环网扩展。在预留的CAN接口中选择其中任何两个，组成环网的两端，其他需要继续接入的CAN控制节点可以首尾相接串在此环网中。

具体的讲，把总线上的控制节点分为三类，第一类为主控节点，实现主控制功能，标号为A1；第二类为固定功能辅助控制节点，标号为B1，B2，...，BM；第三类为可扩展控制节点，标号为C1，C2，...，CN。每个标号都代表一段独立的控制板，每块控制板都有微处理器，同时配有CAN控制器。

把CAN差分总线置于A1板内，预留好M+2个CAN总线的光纤接口，分别对应于B1，B2，...，BM，C1，CN这些CAN控制节点。而C2、C3、...、CN-1则与C1、CN按顺序首尾相接组成环网，保证了该光纤CAN通讯的扩展能力。

本发明的特征在于：该系统是一种可扩展的CAN板内环状总线与光纤通讯相结合的光纤CAN通讯系统，所述环状总线上的控制节点分为三类，第一类为主控节点，实现主控制功能，标号为A1，代表一块独立的主控制板；第二类为固定功能辅助控制节点，标号为B1，B2，...，BM，每个标号代表一块独立的辅助控制板；第三类为可扩展控制节点，标号为C1，C2，...，CN，按顺序组成环网，每个标号代表一块独立的扩展控制板。其中：

主控制板，设有：

主控制板CPU；

主控制板CAN控制器A1，与主控板CPU相连；

主控制板CAN控制器接口，简称主控制CAN接口，与所述的主控制板CAN控制器A1的发送端TX和接收端RX相连；

板内CAN总线，只由标准的CANH和CANL组成，总线两端配有匹配电阻；

供多个辅助控制板用的光纤CAN接口，每一个接口都连在所述CAN总线上；

辅助控制板用的光纤转换组件，在数量上与所述辅助控制板用的光纤CAN接口相同，每一个所述光纤转换组件的发送与接收端口分别与所述相应的辅助控制板用的光纤CAN接口的接收与发送端口相连；

两个扩展控制用光纤CAN接口，该接口是为用光纤连接在所述环状总线两端的扩展控制板提供的接口，也连在所述的板内CAN总线上；

两个扩展控制用光纤转换组件，该光纤转换组件是供用光纤连接在所述环状总线两端的扩展控制板提供的通讯端口，每一个所述光纤转换组件的发送与接收端口分别与所述相应的扩展控制用光纤CAN接口的接收与发送端口相连；

辅助控制板，共有M块，每一块辅助控制板上含有：

辅助控制板微处理器；

辅助控制板CAN控制器，与所述辅助控制板微处理器互连；

辅助控制板CAN光纤转换组件，所述光纤转换组件的发送端口用TX表示，接收端口用RX表示，它们分别与所述辅助控制板CAN控制器的相应端口相连；所述辅助控制板光纤转换组件还用发送光纤、接收光纤与所述主控制板上的辅助控制板用的光纤转换组件相连；

扩展控制板，标号从C1，C2，...，CN，共有N块，其中标号为C1与CN的扩展控制板分别位于所述环状总线的两端，这两块中的每一块扩展控制板含有：

扩展控制板微处理器；

扩展控制板CAN控制器，该控制器与所述扩展控制板微处理器互连；

扩展控制板的第2 CAN接口和第3 CAN接口，为该控制板中分段CAN总线的前后端接口，用来与CAN总线扩展环网中的前后两个扩展控制板形成光纤相连；

扩展控制板的第1 CAN接口，该接口连在该扩展控制板内的分段CAN总线上，并且与所述扩展CAN控制器节点的发送与接收端口相连；

扩展控制板光纤转换组件，该组件的发送与接收端口分别与相应的CAN接口的接收和发送端口相连，用来实现板外的光纤通讯；

所述CAN是Controller Area Network的英文缩略；所述的CAN接口芯片可以是82C250或UC5350等通用CAN接口芯片。

所述的主控制板的光纤CAN通讯组件含有：由CANH和CANL组成的CAN总线，总线两端的匹配电阻，连接在总线上的M个固定数量的CAN接口芯片，连接在总线上的用于光纤环状总线扩展的两个CAN接口芯片，主控CAN控制器，把主控CAN控制器和CAN总线连在一起的一个CAN接口芯片，M+2个与CAN接口芯片相连的成对的光纤发送和光线接收组件；所有的连在控制板CAN总线上的CAN接口芯片(除了连主控节点的)都通过光纤驱动转换组件在主控板形成成对的光纤模块通讯接口。

所述的辅助控制板光纤CAN通讯组件含有：光纤接收电路，该电路的输出端与到达辅助控制板CAN控制器的RX端口相连，依次串接的光纤发送驱动电路和光纤发送电路，所述光纤发送驱动电路的输入端与所述到达辅助控制板CAN控制器的TX端口相连，而所述光纤发送电路则通过光纤与主控制板中的辅助控制板用光纤转换组件内的光纤接收电路相连。

所述扩展控制板的光纤CAN通讯组件含有：扩展控制板的CAN控制器，扩展控制板上的扩展CAN总线，把扩展控制板的CAN控制器连在扩展CAN总线上的第1 CAN接口芯片，为用光纤连接前后两个扩展控制板而配置的分段CAN总线两端的第2和第3 CAN接口芯片，与第2和第3 CAN接口芯片相连的成对的光纤转换组件；其中第2 CAN接口芯片作为该扩展CAN总线的前端，第3 CAN接口芯片作为该扩展CAN总线的后端，可扩展的N段独立的扩展控制板通过光纤首尾相连，两端连在主控板的预留扩展光纤接口上，形成主控板CAN总线上的环状扩展。

本发明提出的通讯系统方案的特点是把光纤通讯和CAN总线合理的结合到一起，既通过光纤传输保证了系统的抗电磁干扰性能，又保持了CAN通讯原有的诸多优点，比如通讯速率高、系统可靠性高等等，同时保证了该系统的很强的扩展能力，也十分容易实现。该通讯方案在拥有环网的扩展能力的同时还避免了环网本身的缺点，因为连接在该CAN总线上的任何一个控制节点故障都不会影响到整体CAN控制系统的正常运行，因为环网上的其它控制节点仍然通过其另一端连在主控板的CAN总线上。本光纤CAN通讯系统非常适合于大功率电力电子变换装置，如变频器、STATCOM等。其特点可以归纳为“板内总线形式+环网扩展+光纤通讯”。它具有如下优点：

1)抗干扰能力强；

2)系统可靠性高；

3)通讯速度快；

4)扩展能力强；

5)节点独立性强。

附图说明

图1为通讯系统总体设计结构示意图。以A1，B1，B2，C1，C2，CN五个CAN控制节点为例，说明该光纤CAN通讯系统的结构设计，分别给出了每个控制板与此通讯相关的结构，以及扩展连接情况。

图2给出B类控制板CAN光纤接口的结构设计示意图。

图3给出C类控制板CAN光纤接口的结构设计示意图。

具体实施方式

以图1的具体设计为例进行说明，该通讯系统由主控板A、辅助控制板B1、B2，可扩展控制板C1、C2、CN组成。CAN总线和A1的微处理器及CAN控制器设计在同一块板上。在CAN总线上扩展了多个节点，配有相应的CAN接口芯片把相应的信号转为CANTX和CANRX，然后通过光纤转换模块转为光纤通讯与B类、C类控制板进行通讯。本例在控制板A上预留了4对用于CAN通讯的光纤接口。

B类控制板为实现固定功能的辅助控制板，它们的设计相对简单，可以在最初设计系统时在控制板A预留相应的CAN光纤接口。B类控制板的具体设计如下：CAN接口芯片不用再行添加，只需要把CAN控制器B1、B2的CANTX和CANRX进行光纤转换，然后可以直接连到控制板A的任何一对光纤接口。这样B类控制板的CAN控制器就通过光纤媒介和A1的CAN控制器连接到同一个CAN总线上进行通讯。光纤通讯的速率也很容易达到CAN的最高通讯速率1Mbps，同时靠光纤媒介和板内CAN总线提高了系统的抗干扰能力。

C类控制板为可扩展控制板，它的主要功能是为了此CAN系统有可能接入更多的临时控制节点设计的。在A只需要预留2对光纤CAN通讯端口，这是环网的两端，一对连接C1，另一对连接CN。其他的C类控制板可以按顺序与C1相连，形成环状总线扩展。在每个控制板内，都有一段扩展CAN总线，上面连接了三个CAN接口芯片，其中两个用来通过光纤转换，用光纤连接前后C类控制板的CAN总线，另一个连接到该C类控制板的CAN控制器。可以通过这种方法随意的扩展C类CAN控制节点，而同样保证了CAN总线和光纤通讯的结合。

B类的光纤通讯接口设计如图2所示。其中从B的CAN控制器出来的CANTX接光纤驱动电路后连到光纤发送模块上，而CANRX直接连到光纤接收模块。在相应的A控制板的CAN总线光纤接口设计一定要把接口芯片的RX端作为发送端，经过光纤驱动电路连接到光纤发送模块；而CAN接口芯片的TX端作为接收端，接在光纤接收模块上。这样CAN节点才能正确的连接到CAN总线上。

C类的光纤通讯接口设计如图3所示。A中相应的CAN接口芯片的RX经过驱动电路接光纤发送模块，再经由光纤连接到C1的相应CAN接口芯片的TX端；A中相应的CAN接口芯片的TX接光纤接收模块，经由光纤连接到C1上的CAN接口芯片的RX端。依此类推，继续接C2、C3、...、一直回到A上的CN端。而C类控制板的CAN控制器可以直接连接在自己板内的CAN总线上。

其中由于CAN总线设计在板内，距离短，安全度高，干扰小，可以把CAN接口芯片的斜率电阻端直接接地，保证最快的通讯速率——1Mbps。

Claims (4)

1、强电磁干扰环境下用的光纤CAN通讯系统，其特征在于：

所述系统是一种可环状扩展的板内CAN总线与光纤通讯相结合的光纤CAN通讯系统，所述CAN总线上的控制节点分为三类，第一类为主控节点，实现主控制功能，标号为A1，代表一块独立的主控制板；第二类为固定功能辅助控制节点，标号为B1，B2，...，BM，每个标号代表一块独立的辅助控制板；第三类为可扩展控制节点，标号为C1，C2，...，CN，按顺序组成环网，每个标号代表一块独立的扩展控制板，每块控制板都有CPU，同时配有CAN控制器A1，A1可以是独立的或者与CPU集成的；其中：

主控制板，设有：

主控制板CPU；

主控制板CAN控制器A1，与主控板CPU相连；

主控制板CAN控制器接口，简称主控制CAN接口，与所述的主控制板CAN控制器A1的发送端TX和接收端RX相连；

板内CAN总线，只由标准的CANH和CANL组成，总线两端配有匹配电阻；

供多个辅助控制板用的光纤CAN接口，每一个接口都连在所述CAN总线上；

辅助控制板用的光纤转换组件，在数量上与所述辅助控制板用的光纤CAN接口相同，每一个所述光纤转换组件的发送与接收端口分别与所述相应的辅助控制板用的光纤CAN接口的接收与发送端口相连；

两个扩展控制用光纤CAN接口，该接口是为用光纤连接在所述环状总线两端的扩展控制板提供的接口，也连在所述的板内CAN总线上；

两个扩展控制用光纤转换组件，该光纤转换组件是供用光纤连接在所述环状总线两端的扩展控制板提供的通讯端口，每一个所述光纤转换组件的发送与接收端口分别与所述相应的扩展控制用光纤CAN接口的接收与发送端口相连；

辅助控制板，共有M块，每一块辅助控制板上含有：

辅助控制板微处理器；

辅助控制板CAN控制器，与所述辅助控制板微处理器互连；

辅助控制板CAN光纤转换组件，所述光纤转换组件的发送端口用TX表示，接收端口用RX表示，它们分别与所述辅助控制板CAN控制器的相应端口相连；所述辅助控制板光纤转换组件还用发送光纤、接收光纤与所述主控制板上的辅助控制板用的光纤转换组件相连；

扩展控制板，标号从C1，C2，...，CN，共有N块，其中标号为C1与CN的扩展控制板分别位于所述环状总线的两端，这两块中的每一块扩展控制板含有：

扩展控制板微处理器；

扩展控制板CAN控制器，该控制器与所述扩展控制板微处理器互连；

扩展控制板的第2 CAN接口和第3 CAN接口，为该控制板中分段CAN总线的前后端接口，用来与CAN总线扩展环网中的前后两个扩展控制板形成光纤相连；

扩展控制板的第1 CAN接口，该接口连在该扩展控制板内的分段CAN总线上，并且与扩展CAN控制器节点的发送与接收端口相连；

扩展控制板光纤转换组件，该组件的发送与接收端口分别与相应的CAN接口的接收和发送端口相连，用来实现板外的光纤通讯；

所述CAN是Controller Area Network的英文缩略；所述的CAN接口芯片可以是82C250或UC5350通用CAN接口芯片。

2、根据权利要求1所述的强电磁干扰环境下用的光纤CAN通讯系统，其特征在于：所述的主控制板的光纤CAN通讯组件含有：由CANH和CANL组成的CAN总线，总线两端的匹配电阻，连接在总线上的M个固定数量的CAN接口芯片，连接在总线上的用于光纤环状总线扩展的两个CAN接口芯片，主控CAN控制器，把主控CAN控制器和CAN总线连在一起的一个CAN接口芯片，M+2个与CAN接口芯片相连的成对的光纤发送和光线接收组件；所有的连在控制板CAN总线上的除了连主控节点的CAN接口芯片都通过光纤驱动转换组件在主控板形成成对的光纤模块通讯接口。

3、根据权利要求1所述的强电磁干扰环境下用的光纤CAN通讯系统，其特征在于：所述的辅助控制板光纤CAN通讯组件含有：光纤接收电路，该电路的输出端与辅助控制板CAN控制器的RX端口相连；依次串接的光纤发送驱动电路和光纤发送电路，光纤发送驱动电路的输入端与所述辅助控制板CAN控制器的TX端口相连，而所述光纤发送电路则通过光纤与主控制板中的辅助控制板用光纤转换组件内的光纤接收电路相连。

4、根据权利要求1所述的强电磁干扰环境下用的光纤CAN通讯系统，其特征在于：所述扩展控制板的光纤CAN通讯组件含有：扩展控制板的CAN控制器，扩展控制板上的扩展CAN总线，把扩展控制板的CAN控制器连在扩展CAN总线上的第1 CAN接口芯片，为用光纤连接前后两个扩展控制板而配置的分段CAN总线两端的第2和第3 CAN接口芯片，与第2和第3 CAN接口芯片相连的成对的光纤转换组件；其中第2 CAN接口芯片作为该扩展CAN总线的前端，第3 CAN接口芯片作为该扩展CAN总线的后端，可扩展的N段独立的扩展控制板通过光纤首尾相连，两端连在主控板的预留扩展光纤接口上，形成主控板CAN总线上的环状扩展。

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