CN215499044U - Can通信和光纤通信转换器、变频器和汽车 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种CAN通信和光纤通信转换器、变频器和汽车，所述转换器包括：第一控制器、第一电平转换电路、光电隔离电路、第一CAN收发器、第二CAN收发器和第一光电信号收发器；第二光电信号收发器、第二电平转换电路和第二控制器；第一控制器通过第一电平转换电路与光电隔离电路相连；光电隔离电路与第一CAN收发器相连，第一CAN收发器与CAN总线相连；第二CAN收发器与CAN总线相连，第二CAN收发器与第一光电信号收发器相连；第一光电信号收发器通过光纤与第二光电信号收发器相连；第二光电信号收发器通过第二电平转换电路与第二控制器相连。本申请用以解决现有技术中CAN网络的抗电磁干扰能力差的问题。

Description

CAN通信和光纤通信转换器、变频器和汽车

技术领域

本申请涉及工业总线技术领域，尤其涉及一种CAN通信和光纤通信转换器、变频器和汽车。

背景技术

CAN(controller area network)总线是德国Bosch(博世)公司20世纪80年代初为解决汽车中众多数据交换而开发的一种串行数据通信协议。CAN总线上任一节点依据优先权均可在任一时刻主动向网络上的其它节点发送数据，这种总线多主站通信方式，保证通信的灵活性；数据采用短帧发送，保证了通信的实时性；CAN协议采用CRC(cyclicredundancy check)检验并提供强大的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。由于其卓越的特性，CAN总线成为目前公认的几种最有前途的现场总线之一。

CAN总线最常用以双绞屏蔽线作为组网传输介质，尽管采用差分方式传输的CAN总线已经具有较好的抗干扰能力，但是，对于一些特殊场合，如：电磁环境恶劣、高电压、强磁场等应用场合，金属双绞屏蔽线的CAN网络就无法适应了。

因此，如何提高CAN网络的抗电磁干扰能力是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本申请提供了一种CAN通信和光纤通信转换器、变频器和汽车，用以解决现有技术中CAN网络的抗电磁干扰能力差的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种CAN通信和光纤通信转换器，包括：第一控制板和第二控制板；其中，所述第一控制板包括：第一控制器、第一电平转换电路、光电隔离电路、第一CAN收发器、第二CAN收发器和第一光电信号收发器；所述第二控制板包括：第二光电信号收发器、第二电平转换电路和第二控制器；

所述第一控制器与所述第一电平转换电路的第一端相连，所述第一电平转换电路的第二端与所述光电隔离电路的第一端相连；所述光电隔离电路的第二端与所述第一CAN收发器的第一端相连，所述第一CAN收发器的第二端与CAN总线相连；所述第二CAN收发器的第一端与CAN总线相连，所述第二CAN收发器的第二端与所述第一光电信号收发器的第一端相连；所述第一光电信号收发器的第二端通过光纤与所述第二光电信号收发器的第一端相连；所述第二光电信号收发器的第二端与所述第二电平转换电路的第一端相连，所述第二电平转换电路的第二端与所述第二控制器相连。

可选的，所述第二CAN收发器的第二端包括：发送接口和接收接口；

所述第一光电信号收发器包括：第一光电信号发送器和第一光电信号接收器；

所述第一光电信号发送器的输入端与所述接收接口相连，所述第一光电信号发送器的输出端与所述光纤相连；

所述第一光电信号接收器的输入端与所述光纤相连，所述第一光电信号接收器的输出端与所述发送接口相连。

可选的，所述第二电平转换电路的第一端包括：第一接口和第二接口；

所述第二光电信号收发器包括：第二光电信号发送器和第二光电信号接收器；

所述第二光电信号发送器的输入端与所述第二电平转换电路的第二接口相连，所述第二光电信号发送器的输出端与所述光纤相连；所述光纤与所述第一光电信号接收器的输入端相连；

所述第二光电信号接收器的输入端通过光纤与所述第一光电信号发送器的输出端相连，所述第二光电信号接收器的输出端与所述第二电平转换电路的第一接口相连。

可选的，所述第一光电信号发送器和所述第二光电信号发送器包括：型号为AFBR-1629Z的光电信号发送器；

所述第一光电信号接收器和所述第二光电信号接收器包括：AFBR-2529Z的光电信号接收器。

可选的，所述第二CAN收发器的数量为N，且N为大于或等于1的正整数；各个所述第二CAN收发器均与所述CAN总线相连，且各个所述第二CAN收发器之间并联；

对于每一个所述第二CAN收发器，所述第二CAN收发器的第一端与所述CAN总线相连，所述第二CAN收发器的第二端与所述第一光电信号收发器的第一端一一对应相连；所述第一光电信号收发器的第二端通过光纤与所述第二光电信号收发器的第一端一一对应相连；所述第二光电信号收发器的第二端与所述第二电平转换电路的第一端一一对应相连，所述第二电平转换电路的第二端与所述第二控制器一一对应相连。

可选的，所述第一光电信号收发器、所述第二光电信号收发器、所述第二电平转换电路和所述第二控制器的数量均与所述第二CAN收发器的数量相同。

可选的，所述第一光电信号收发器和所述第二光电信号收发器的通信速率大于或等于1Mbps。

可选的，所述第一CAN收发器和所述第二CAN收发器包括：型号为TJA1051T的CAN收发器。

第二方面，本申请实施例提供了一种变频器，包括：第一方面所述的CAN通信和光纤通信转换器。

第三方面，本申请实施例提供了一种汽车，包括：第一方面所述的CAN通信和光纤通信转换器。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例提供的该方法，利用光纤代替双绞屏蔽线应用在传输路径上，使得总线节点无电流流过，实现去耦合，提高CAN网络的抗电磁干扰能力，且扩展了CAN总线的应用场景。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的CAN通信和光纤通信转换器的原理图；

图2为本申请实施例提供的CAN通信和光纤通信转换器的电路图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

采用双绞屏蔽线的CAN网络随着频率的增长，双绞屏蔽线线对的衰减迅速增高，双绞屏蔽线还有近端串扰，即在发送线对和接收线对之间存在电磁耦合干扰，抗电磁干扰能力不强。

为了提高CAN网络的抗电磁干扰能力，本申请实施例提供了一种CAN通信和光纤通信转换器，如图1所示，该CAN通信和光纤通信转换器包括：第一控制板8和第二控制板12；其中，第一控制板8包括：第一控制器1、第一电平转换电路2、光电隔离电路3、第一CAN收发器4、第二CAN收发器6和第一光电信号收发器7；第二控制板12包括：第二光电信号收发器9、第二电平转换电路10和第二控制器11，且第二光电信号收发器9、第二电平转换电路10和第二控制器11均集成在同一控制板上；第一控制板8和第二控制板12之间通过光纤实现CAN通信数据的互相传输。

其中，第一控制器1与第一电平转换电路2的第一端相连，第一电平转换电路2的第二端与光电隔离电路3的第一端相连；光电隔离电路3的第二端与第一CAN收发器4的第一端相连，第一CAN收发器4的第二端与CAN总线5相连；第二CAN收发器6的第一端与CAN总线5相连，第二CAN收发器6的第二端与第一光电信号收发器7的第一端相连；第一光电信号收发器7的第二端通过光纤与第二光电信号收发器9的第一端相连；第二光电信号收发器9的第二端与第二电平转换电路10的第一端相连，第二电平转换电路10的第二端与第二控制器11相连；其中，CAN总线5上的收发方式采用CAN总线标准协议进行信号传输。

在具体实现时，CAN总线5上可以并行的挂多路信号，第二CAN收发器6的数量为N，且N为大于或等于1的正整数；各个第二CAN收发器6均与CAN总线5相连，且各个第二CAN收发器6之间并联；对于每一个第二CAN收发器6，第二CAN收发器6的第一端与CAN总线5相连，第二CAN收发器6的第二端与第一光电信号收发器7的第一端一一对应相连；第一光电信号收发器7的第二端通过光纤与第二光电信号收发器9的第一端一一对应相连；第二光电信号收发器9的第二端与第二电平转换电路10的第一端一一对应相连，第二电平转换电路10的第二端与第二控制器11一一对应相连。

在本申请实施例中，第一控制板8可以作为主机，第二控制板12作为从机，由第一控制板8向第二控制板12发送数据；第二控制板12也可以作为主机，第一控制板8作为主机，由第二控制板12向第一控制板8发送数据；即第一控制板8和第二控制板12可互相作为主机和从机，实现数据的相互发送。

在具体实现时，第一控制器1采用第一CAN控制器1a，第二控制器11采用第二CAN控制器11a，其中，第一CAN控制器1a集成在第一控制板8的MCU(微控制单元，MicrocontrollerUnit)中，第二CAN控制器11a集成在第二控制板12的MCU中。具体实现时，第一CAN收发器4和第二CAN收发器6包括：型号为TJA1051T的CAN收发器。

当第一控制板8作为主机进行信号发送时，第一控制器1的控制信号经过第一电平转换电路2将MCU输出的3.3V电平信号转换为5V电平信号，随后经过光电隔离电路3使得CAN网络信号与MCU输出的信号隔离开来，以提高系统的抗干扰性，随后再由第一CAN收发器4将转换后的5V电平信号传输到CAN总线5网络上；为了不改变CAN总线通信协议进行光纤信号传输，利用第二CAN收发器6从CAN总线5上接收信号后，利用第一光电信号收发器7将电信号转换为光信号，并通过光纤发出去，第二控制板12的第二光电信号收发器9接收光纤传过来的信号，随后将转换后的电信号通过第二电平转换电路10将信号的电平转换为第二控制器11可接收的电平信号，随后送入第二控制器11，实现对总线信号的接收。

当第二控制板12作为主机进行信号发送时，第二控制器11进行信号的发送，经过第二电平转换电路10、第二光电信号收发器9和光纤将信号发送出去，之后依次经过第一光电信号收发器7、第二CAN收发器6、CAN总线5、第一CAN收发器4、光电隔离电路3和第一电平转换电路2，传输至第一控制器1，此时，第一控制器1完成信号的接收。

在本申请实施例中，第一光电信号收发器7、第二光电信号收发器9和光电隔离电路3的加入，在一定程度上引入了额外的延时，延时较长后，则可能导致通信距离变短，或总线错误帧增加，通信不成功。考虑到这点，本实用新型对CAN通信的延时时间问题给予解决方案，第一光电信号收发器7和第二光电信号收发器9均选用通信速率大于或等于1Mbps高速光电信号收发器，大大缩减了信号总线上的传输延时，在不改变CAN总线通信协议的物理协议及其它电路拓扑的基础上，提供了在CAN总线光纤转换技术中关于信号延时问题的解决方案及思路，以最简洁的解决方案，解决了CAN总线光纤转换技术中的信号延时问题。

本申请实施例中，将光纤代替双绞屏蔽线实现CAN通信与光纤通信转换器设计方法，可以使得总线节点无电流流过，提高CAN网络的抗电磁干扰能力，能确保数据的安全传输，设计上无需改变原有的CAN通信协议和软件，可直接替代双绞屏蔽线进行传输。

为了进一步说明本申请实施例提供的CAN通信和光纤通信转换器，本申请实施例提供了一种CAN通信和光纤通信转换器的具体实施方式，如图2所示，在该具体实施方式中，第一CAN收发器4和第二CAN收发器6采用型号为TJA1051T的CAN收发器；在具体实现时，第二CAN收发器6的第二端包括：发送接口和接收接口；第一光电信号收发器7包括：第一光电信号发送器71和第一光电信号接收器72；第一光电信号发送器71的输入端与接收接口相连，第一光电信号发送器71的输出端与光纤相连；第一光电信号接收器72的输入端与光纤相连，第一光电信号接收器72的输出端与发送接口相连。

第二电平转换电路10的第一端包括：第一接口和第二接口；第二光电信号收发器9包括：第二光电信号发送器91和第二光电信号接收器92；第二光电信号发送器91的输入端与第二电平转换电路10的第二接口相连，第二光电信号发送器91的输出端与光纤相连；光纤与第一光电信号接收器72的输入端相连；第二光电信号接收器92的输入端通过光纤与第一光电信号发送器71的输出端相连，第二光电信号接收器92的输出端与第二电平转换电路10的第一接口相连。

具体的，第一光电信号发送器71和第二光电信号发送器91采用型号为AFBR-1629Z的光电信号发送器；第一光电信号接收器72和第二光电信号接收器92采用AFBR-2529Z的光电信号接收器。

如图2所示，第一控制板8和第二控制板12之间通过光纤进行通信连接，第一控制板8由第一CAN控制器1a、第一电平转换电路2、光电隔离电路3、第一CAN收发器4、CAN总线5、第二CAN收发器6、第一光电信号发送器71和第一光电信号接收器72组成；第二控制板12由第二CAN控制器11a、第二电平转换电路10、第二光电信号发送器91和第二光电信号接收器92组成。

其中，第一光电信号发送器71和第一光电信号接收器72具有50MBd带宽，器件自身最大信号延时为30ns。第一控制板8中的第一光电信号发送器71AFBR-1629Z与第二控制板12中的第二光电信号接收器92AFBR-2529Z通过光纤相连，第一控制板8中的第一光电信号接收器72AFBR-2529Z与第二控制板12中的第二光电信号发送器91AFBR-1629Z通过光纤相连。

当第一控制板8向第二控制板12发送数据时，则第一CAN控制器1a将数据向外发送，通过第一电平转换电路2将信号的电平由3.3V抬升为5V，随后经过光电隔离电路3将CAN通信网络与系统内部隔离开，以提高系统的抗干扰性。接着利用第一CAN收发器4将TXD端输入信号的TTL电平变换为CAN总线上的“隐性”(逻辑“1”)或“显性”(逻辑“0”)电平，即完成了控制端到CAN总线5的信号传输。因光纤介质传输的特性，需把CAN总线5上的差动信号转换为电信号，便于第一光电信号收发器7的识别及传输，因此再次利用第二CAN收发器6将CAN总线5上的差动信号转换为第一光电信号发送器71可识别的TTL电平信号，随后经过第一光电信号发送器71将信号发出，经由光纤介质进行信号传输，第二控制板12中第二光电信号接收器92进行信号的接收，将光信号转换为电信号，随后只需经过第二电平转换电路10即可送入第二CAN控制器11a进行应答处理。

在具体实现时，第一电平转换电路2和第二电平转换电路10可以采用型号为SN74ACT244PWR的电平转换电路，此外，第一电平转换电路2和第二电平转换电流10还可以采用其他任何一种电平转换电路，只要能够实现3.3V和5V之间的转换即可，对具体电路组成不做限定。光电隔离电路3可以采用型号为Si8622EC-B-IS的光电隔离芯片，当然在具体实现时也可以采用其他型号的芯片。

当第二控制板12向第一控制板8发送数据时，第二CAN控制器11a进行数据发送时，发送信号经第二电平转换电路10，传至第二光电信号发送器91，经光纤传送给第一控制板8中的第一光电信号接收器72，随后经第二CAN收发器6将电信号转换发送到CAN总线5上，接着，由第一CAN收发器4将CAN总线5上的数据转换为电信号RXD，再经过光电隔离电路3和第一电平转换电路2将信号传输给第一CAN控制器1a，至此完成第二控制板12向第一控制板8的CAN通信的收发全过程。

在通信过程中，CAN通信总的延时时间T＝(T1+T2+T3)×2，其中，T1为第一控制板8中第一CAN控制器1a到第二CAN收发器6的单向延时时间；T2为第一控制板8中第一光电信号发送器71至第二控制板12中第二光电信号接收器92的单向延时时间、T3为第二控制板12中第二电平转换电路10至第二CAN控制器11a的单向延时时间。当电路中CAN通信速率较高时，要保证总的延时时间小于等于CAN总线延时理论分析值。为此，对于1Mbps信号速率时，本申请通过减小T2的传输时间(选择高速光电信号收发器AFBR-1629Z和AFBR-2529Z)，有效地保证了CAN通信总延时时间小于CAN总线延时理论分析值，实现了1Mbps信号速率下的CAN通信与光纤通信转换器的正常通信。

此外，选择高速光电信号收发器AFBR-1629Z和AFBR-2529Z，其最大传输延时为30ns，信号带宽50MBd。CAN标准规定，线缆的传输延迟为5ns/m，1Mbps信号速率时最大线缆长度为40m。通信速率为1Mbps时，它的位时间为1000ns，采样点位置设定为650ns时，由于线缆本身具有200ns的单向延时(即400ns的双向延时)，从而使收发器和相关电路的总延迟只剩约250ns。也就是说，如果CAN底层硬件的传输延时只要小于250ns，线缆长度即可达到40m。因此，在不改变CAN通信标准协议及通信速率的情况下，尽可能远距离传输信号，则可通过减小电路中器件的延时时间，即最有效地选择高速光电信号收发器来实现。

本申请实施例提供的技术方案，在不改变CAN通信标准协议及通信速率的情况下，将光纤代替双绞屏蔽线实现CAN通信与光纤通信的转换，能够使得总线节点无电流流过，提高CAN网络的抗电磁干扰能力，能确保数据的安全传输。当通信速率较高时，为了尽可能远距离传输信号及保证信号正常通信，则可通过减小电路中的延时时间来实现，即最为有效地途径是选择高速光电信号收发器AFBR-1629Z和AFBR-2529Z来实现。

此外，本申请实施例还提供了一种变频器，该变频器包括上述的CAN通信和光纤通信转换器。

本申请实施例还提供了一种汽车，该变频器包括上述的CAN通信和光纤通信转换器。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种CAN通信和光纤通信转换器，其特征在于，包括：第一控制板和第二控制板；其中，所述第一控制板包括：第一控制器、第一电平转换电路、光电隔离电路、第一CAN收发器、第二CAN收发器和第一光电信号收发器；所述第二控制板包括：第二光电信号收发器、第二电平转换电路和第二控制器；

所述第一控制器与所述第一电平转换电路的第一端相连，所述第一电平转换电路的第二端与所述光电隔离电路的第一端相连；所述光电隔离电路的第二端与所述第一CAN收发器的第一端相连，所述第一CAN收发器的第二端与CAN总线相连；所述第二CAN收发器的第一端与CAN总线相连，所述第二CAN收发器的第二端与所述第一光电信号收发器的第一端相连；所述第一光电信号收发器的第二端通过光纤与所述第二光电信号收发器的第一端相连；所述第二光电信号收发器的第二端与所述第二电平转换电路的第一端相连，所述第二电平转换电路的第二端与所述第二控制器相连。

2.根据权利要求1所述的CAN通信和光纤通信转换器，其特征在于，所述第二CAN收发器的第二端包括：发送接口和接收接口；

所述第一光电信号收发器包括：第一光电信号发送器和第一光电信号接收器；

所述第一光电信号发送器的输入端与所述接收接口相连，所述第一光电信号发送器的输出端与所述光纤相连；

所述第一光电信号接收器的输入端与所述光纤相连，所述第一光电信号接收器的输出端与所述发送接口相连。

3.根据权利要求2所述的CAN通信和光纤通信转换器，其特征在于，所述第二电平转换电路的第一端包括：第一接口和第二接口；

所述第二光电信号收发器包括：第二光电信号发送器和第二光电信号接收器；

所述第二光电信号发送器的输入端与所述第二电平转换电路的第二接口相连，所述第二光电信号发送器的输出端与所述光纤相连；所述光纤与所述第一光电信号接收器的输入端相连；

所述第二光电信号接收器的输入端通过光纤与所述第一光电信号发送器的输出端相连，所述第二光电信号接收器的输出端与所述第二电平转换电路的第一接口相连。

4.根据权利要求3所述的CAN通信和光纤通信转换器，其特征在于，所述第一光电信号发送器和所述第二光电信号发送器包括：型号为AFBR-1629Z的光电信号发送器；

所述第一光电信号接收器和所述第二光电信号接收器包括：AFBR-2529Z的光电信号接收器。

5.根据权利要求1所述的CAN通信和光纤通信转换器，其特征在于，所述第二CAN收发器的数量为N，且N为大于或等于1的正整数；各个所述第二CAN收发器均与所述CAN总线相连，且各个所述第二CAN收发器之间并联；

对于每一个所述第二CAN收发器，所述第二CAN收发器的第一端与所述CAN总线相连，所述第二CAN收发器的第二端与所述第一光电信号收发器的第一端一一对应相连；所述第一光电信号收发器的第二端通过光纤与所述第二光电信号收发器的第一端一一对应相连；所述第二光电信号收发器的第二端与所述第二电平转换电路的第一端一一对应相连，所述第二电平转换电路的第二端与所述第二控制器一一对应相连。

6.根据权利要求5所述的CAN通信和光纤通信转换器，其特征在于，所述第一光电信号收发器、所述第二光电信号收发器、所述第二电平转换电路和所述第二控制器的数量均与所述第二CAN收发器的数量相同。

7.根据权利要求1所述的CAN通信和光纤通信转换器，其特征在于，所述第一光电信号收发器和所述第二光电信号收发器的通信速率大于或等于1Mbps。

8.根据权利要求1所述的CAN通信和光纤通信转换器，其特征在于，所述第一CAN收发器和所述第二CAN收发器包括：型号为TJA1051T的CAN收发器。

9.一种变频器，其特征在于，包括：权利要求1～8任意一项所述的CAN通信和光纤通信转换器。

10.一种汽车，其特征在于，包括：权利要求1～8任意一项所述的CAN通信和光纤通信转换器。

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