CN219740422U - 一种基于fpag和arm架构的can网络交换机结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于交换机设备技术领域，具体涉及一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构。主要由防雷及缓冲电路、EMI滤波电路、电源变换电路、ARM处理器模块、FLASH存储器模块、FPGA模块、多组CAN收发器、多组隔离保护电路和配置端口等组成，所有器件均采用100％国产化器件；通过合理布置连接内部的元器件，使其整体结构紧凑，适用场合多样；通过配置多组上行网络端口和下行网络端口，使其现场布线方便，组网灵活，且交换机之间可级联接线，实现网络扩容。

Description

一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构

技术领域

本实用新型属于交换机设备技术领域，具体涉及一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构。

背景技术

目前，CAN网络总线主要应用于汽车电子、消防安全、舰船电气设备的局域网络。公知的CAN网络交换机数据转换时间在200us～1000us左右，主要用于现场数据采集和常规设备控制；现有CAN交换机在组网过程中，所有的网络节点需采用相同的CAN协议格式，保持CAN帧类型和波特率一致才能组网成功。

当前的CAN网络交换机主要采用ARM和CAN收发器架构，通过对ARM的CAN接口进行多个外围CAN收发器进行扩展，实现多通道CAN数据的收发管理。这种类型的CAN交换机数据转换方式和串口类似，通过ARM对多个CAN收发器进行循环调度任务处理，CAN接口的转换时间由任务调度时间和循环时间长短决定。因此，传统CAN网络交换机主要应用于数据采集、上传管理，对数据的实时性要求不高(＞1ms)的应用环境，其CAN通道越多，数据转换时间越长。但是，当设备有控制且响应时间有很高要求时，如通过CAN总线控制多组并联输出电源波形变化时，若响应时间较长，将会在并联输出的电源端产生环流，影响对外输出的效果。

另外，当前在舰船电气设备的CAN网络中，CAN网络设备类型多、数量多且通信格式存在不统一的情况，在组网时，需要协调各个对应设备厂家，保持通信协议格式的一致才能组网成功，且现场布线难度大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，元器件布置紧凑、接口多样，使现场布线方便，组网灵活，交换机之间可级联接线，实现网络扩容。

本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，所述CAN网络交换机10设有防雷及缓冲电路1，所述防雷及缓冲电路1的输入端连接外接电源，所述防雷及缓冲电路1的输出端连接EMI滤波电路2的输入端，所述EMI滤波电路2的输出端连接电源变换电路3的输入端，所述电源变换电路3的输出端连接ARM处理器模块4的输入端，所述ARM处理器模块4的输出端连接FLASH存储器模块5的输入端，所述电源变换电路3和FLASH存储器模块5的输出端均与FPGA模块6的输入端相连，所述ARM处理器模块4的输出端连接有配置端口9，所述FPGA模块6的输出端连接有多组CAN收发器，每组CAN收发器均通过隔离保护电路与外接网络端口相连，所述外接网络端口由组个上行网络端口和多组下行网络端口组成。

进一步的，所述防雷及缓冲电路1由防雷电路和缓冲电路组成，所述防雷电路由压敏电阻配合气体放电管组成，所述缓冲电路由NTC热敏电阻与继电器并联组成。

进一步的，所述EMI滤波电路2由多个电解电容和高频电感组成。

进一步的，所述电源变换电路3用于将外接电源电压转换为FPGA模块6所需工作电压。

进一步的，所述多组CAN收发器具体由第一CAN收发器7-1、第二CAN收发器7-2、第三CAN收发器7-3、第四CAN收发器7-4、第五CAN收发器7-5、第六CAN收发器7-6、第七CAN收发器7-7、第八CAN收发器7-8、第九CAN收发器7-9、第十CAN收发器7-10组成。

进一步的，所述第一CAN收发器7-1、第二CAN收发器7-2、第三CAN收发器7-3、第四CAN收发器7-4、第五CAN收发器7-5、第六CAN收发器7-6、第七CAN收发器7-7、第八CAN收发器7-8、第九CAN收发器7-9、第十CAN收发器7-10的输入端分别与FPGA模块6对应的输出端口相连。

进一步的，所述第一CAN收发器7-1、第二CAN收发器7-2、第三CAN收发器7-3、第四CAN收发器7-4、第五CAN收发器7-5、第六CAN收发器7-6、第七CAN收发器7-7、第八CAN收发器7-8、第九CAN收发器7-9、第十CAN收发器7-10的输出端分别与第一隔离保护电路8-1、第二隔离保护电路8-2、第三隔离保护电路8-3、第四隔离保护电路8-4、第五隔离保护电路8-5、第六隔离保护电路8-6、第七隔离保护电路8-7、第八隔离保护电路8-8、第九隔离保护电路8-9、第十隔离保护电路8-10的输入端相连。

进一步的，所述第一隔离保护电路8-1和第二隔离保护电路8-2的输出端分别与第一上行网络端口11和第二上行网络端口12相连；

所述第三隔离保护电路8-3、第四隔离保护电路8-4、第五隔离保护电路8-5、第六隔离保护电路8-6、第七隔离保护电路8-7、第八隔离保护电路8-8、第九隔离保护电路8-9、第十隔离保护电路8-10的输出端分别与第一下行网络端口13、第二下行网络端口14、第三下行网络端口15、第四下行网络端口16、第五下行网络端口17、第六下行网络端口18、第七下行网络端口19、第八下行网络端口20相连。

进一步的，所述第一上行网络端口11和第二上行网络端口12与中控室设备相连；所述第一下行网络端口13、第二下行网络端口14、第三下行网络端口15、第四下行网络端口16、第五下行网络端口17、第六下行网络端口18、第七下行网络端口19、第八下行网络端口20分别与多组远程设备相连。

进一步的，所述CAN网络交换机10设有多个，多个CAN网络交换机之间通过所述上行网络端口和下行网络端口级联连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下主要的优点：

1、本实用新型通过合理布置连接内部的防雷及缓冲电路，EMI滤波电路，电源变换电路，FPGA模块，ARM模块，FLASH存储器模块，CAN收发器和隔离保护电路，使其整体结构紧凑，适用场合多样；

2、本实用新型通过配置多组上行网络端口和下行网络端口，现场布线方便，组网灵活，且交换机之间可级联接线，实现网络扩容。

附图说明

图1为本实用新型CAN网络交换机内部元件示意图；

图2为本实用新型CAN网络交换机外部接口示意图；

图3为本实用新型多个CAN网络交换机级联示意图。

图中：1、防雷及缓冲电路；2、EMI滤波电路；3、电源变换电路；4、ARM处理器模块；5、FLASH存储器模块；6、FPGA模块；7-1、第一CAN收发器；7-2、第二CAN收发器；7-3、第三CAN收发器；7-4、第四CAN收发器；7-5、第五CAN收发器；7-6、第六CAN收发器；7-7、第七CAN收发器；7-8、第八CAN收发器；7-9、第九CAN收发器；7-10、第十CAN收发器；8-1、第一隔离保护电路；8-2、第二隔离保护电路；8-3、第三隔离保护电路；8-4、第四隔离保护电路；8-5、第五隔离保护电路；8-6、第六隔离保护电路；8-7、第七隔离保护电路；8-8、第八隔离保护电路；8-9、第九隔离保护电路；8-10、第十隔离保护电路；9、配置端口；10、CAN网络交换机；10-1、第一CAN网络交换机；10、第二CAN网络交换机；11、第一上行网络端口；12、第二上行网络端口；13、第一下行网络端口；14、第二下行网络端口；15、第三下行网络端口；16、第四下行网络端口；17、第五下行网络端口；18、第六下行网络端口；19、第七下行网络端口；20、第八下行网络端口。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本实用新型的目的。

本申请采用的FPGA模块是一种现有的半定制电路模块，其每个逻辑单元的功能在录入(烧写)时就已经确定，不需要控制指令，相比于单片机、CPU等集成电路芯片拥有效率更高、功耗更低的特点。

如图1所示，本申请实施例提供了一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，由防雷及缓冲电路1、EMI滤波电路2、电源变换电路3、ARM处理器模块4、FLASH存储器模块5、FPGA模块6、多组CAN收发器、多组隔离保护电路和配置端口9等组成，所有器件均采用100％国产化器件。

具体的，所述防雷及缓冲电路1的输入端连接外接电源，所述防雷及缓冲电路1的输出端连接EMI滤波电路2的输入端，所述EMI滤波电路2的输出端连接电源变换电路3的输入端，所述电源变换电路3的输出端连接ARM处理器模块4的输入端，所述ARM处理器模块4的输出端连接FLASH存储器模块5的输入端，所述电源变换电路3和FLASH存储器模块5的输出端均与FPGA模块6的输入端相连，所述ARM处理器模块4的输出端连接有配置端口9，所述FPGA模块6的输出端连接有多组CAN收发器，每组CAN收发器均通过隔离保护电路与外接网络端口相连，所述外接网络端口由组个上行网络端口和多组下行网络端口组成。

其中，所述防雷及缓冲电路1由防雷电路和缓冲电路组成，所述防雷电路由压敏电阻配合气体放电管组成，所述缓冲电路由NTC热敏电阻与继电器并联组成，以满足舰船设备的尖峰电压保护及启动电流的能效控制要求。

进一步的，所述EMI滤波电路2主要通过电解电容、高频电感和电容等组成，以满足GJB151B-2013的传导和辐射要求。

进一步的，所述CAN网络交换机10采用DC9-36V供电，功率为5W,通过电源变换电路3转换为5V，3.3V和1.9V,以满足设备内部各集成电路的供电需求。

进一步的，所述ARM处理器模块4主要用于实现端口配置，软件升级等功能，通过ARM模块4设置FPGA模块6内部的CAN控制器接口信息，以匹配各CAN端口的协议格式要求。每个CAN端口可独立设置波特率、帧类型、白名单及黑名单等信息。

具体配置流程为：按照ARM模块4的内置协议格式，通过配置端口9将CAN端口的配置信息写入FLASH模块5，再由FPGA模块6从FLASH模块5读取配置信息，按照配置信息内容配置相应的CAN端口；

其中，CAN数据处理部分由FPGA模块、CAN收发器7及隔离保护电路8实现，CAN数据的收发由硬件电路实现；

CAN网络交换机FPGA模块6读取FLASH模块5数据，确定各CAN端口的配置信息，可根据配置要求进行数据收发管理，无软件处理环节。

进一步的，所述多组CAN收发器具体由第一CAN收发器7-1至第十CAN收发器7-10组成；所述第一CAN收发器7-1至第十CAN收发器7-10分别与FPGA模块6对应的输出端口相连，按照配置的协议格式进行CAN数据的收发处理；

更进一步的，所述第一CAN收发器7-1至第十CAN收发器7-10的输出端分别与第一隔离保护电路8-1至第十隔离保护电路8-10的输入端相连，要用于外部网络连接时，避免外部电压尖峰、干扰等影响交换机的内部电路，避免设备损坏。

如图2所示，所述隔离保护电路8-1和8-2的输出端分别与上行网络端口11和12相连；所述隔离保护电路8-3～8-10的输出端分别与下行网络端口13～20相连，所述上行网络端口主要连接信息中心或中控室等位置的设备；所述下行网络端口可根据网络对象的波特率和帧类型分类组网，只要确保同一个网络的波特率和帧类型一致即可，每个下行网络最多可接63个CAN网络节点。

如图3所示，所述CAN网络交换机10设有多个(本实例中为第一CAN网络交换机10-1和第二CAN网络交换机10-2)，多个CAN网络交换机之间通过所述上行网络端口和下行网络端口级联连接，实现CAN网络节点的扩容。

本实例中，第一CAN网络交换机10-1的上行网络端口11和12与中控室设备相连，第一CAN网络交换机10-1的下行网络端口13和14分别与第二CAN网络交换机10-2的上行网络端口11和12相连；第二台CAN网络交换机10-2的下行端口和第一台剩余的CAN网络交换机10-1的下行端口连接其他的远程设备，通过类似级联方式，可实现CAN节点的扩容。

综上所述：

1、本实用新型通过合理布置连接内部的防雷及缓冲电路，EMI滤波电路，电源变换电路，FPGA模块，ARM模块，FLASH存储器模块，CAN收发器和隔离保护电路，使其整体结构紧凑，适用场合多样；

2、本实用新型通过配置多组上行网络端口和下行网络端口，现场布线方便，组网灵活，且交换机之间可级联接线，实现网络扩容。

以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述CAN网络交换机(10)设有防雷及缓冲电路(1)，所述防雷及缓冲电路(1)的输入端连接外接电源，所述防雷及缓冲电路(1)的输出端连接滤波电路(2)的输入端，所述滤波电路(2)的输出端连接电源变换电路(3)的输入端，所述电源变换电路(3)的输出端连接ARM处理器模块(4)的输入端，所述ARM处理器模块(4)的输出端连接存储器模块(5)的输入端，所述电源变换电路(3)和存储器模块(5)的输出端均与FPGA模块(6)的输入端相连，所述ARM处理器模块(4)的输出端连接有配置端口(9)，所述FPGA模块(6)的输出端连接有多组CAN收发器，每组CAN收发器均通过隔离保护电路与外接网络端口相连，所述外接网络端口由组个上行网络端口和多组下行网络端口组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述防雷及缓冲电路(1)由防雷电路和缓冲电路组成，所述防雷电路由压敏电阻配合气体放电管组成，所述缓冲电路由NTC热敏电阻与继电器并联组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述滤波电路(2)由多个电解电容和高频电感组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述电源变换电路(3)用于将外接电源电压转换为FPGA模块(6)所需工作电压。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述多组CAN收发器具体由第一CAN收发器(7-1)、第二CAN收发器(7-2)、第三CAN收发器(7-3)、第四CAN收发器(7-4)、第五CAN收发器(7-5)、第六CAN收发器(7-6)、第七CAN收发器(7-7)、第八CAN收发器(7-8)、第九CAN收发器(7-9)、第十CAN收发器(7-10)组成。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述第一CAN收发器(7-1)、第二CAN收发器(7-2)、第三CAN收发器(7-3)、第四CAN收发器(7-4)、第五CAN收发器(7-5)、第六CAN收发器(7-6)、第七CAN收发器(7-7)、第八CAN收发器(7-8)、第九CAN收发器(7-9)、第十CAN收发器(7-10)的输入端分别与FPGA模块(6)对应的输出端口相连。

7.根据权利要求6所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述第一CAN收发器(7-1)、第二CAN收发器(7-2)、第三CAN收发器(7-3)、第四CAN收发器(7-4)、第五CAN收发器(7-5)、第六CAN收发器(7-6)、第七CAN收发器(7-7)、第八CAN收发器(7-8)、第九CAN收发器(7-9)、第十CAN收发器(7-10)的输出端分别与第一隔离保护电路(8-1)、第二隔离保护电路(8-2)、第三隔离保护电路(8-3)、第四隔离保护电路(8-4)、第五隔离保护电路(8-5)、第六隔离保护电路(8-6)、第七隔离保护电路(8-7)、第八隔离保护电路(8-8)、第九隔离保护电路(8-9)、第十隔离保护电路(8-10)的输入端相连。

8.根据权利要求7所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述第一隔离保护电路(8-1)和第二隔离保护电路(8-2)的输出端分别与第一上行网络端口(11)和第二上行网络端口(12)相连；

所述第三隔离保护电路(8-3)、第四隔离保护电路(8-4)、第五隔离保护电路(8-5)、第六隔离保护电路(8-6)、第七隔离保护电路(8-7)、第八隔离保护电路(8-8)、第九隔离保护电路(8-9)、第十隔离保护电路(8-10)的输出端分别与第一下行网络端口(13)、第二下行网络端口(14)、第三下行网络端口(15)、第四下行网络端口(16)、第五下行网络端口(17)、第六下行网络端口(18)、第七下行网络端口(19)、第八下行网络端口(20)相连。

9.根据权利要求8所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述第一上行网络端口(11)和第二上行网络端口(12)与中控室设备相连；所述第一下行网络端口(13)、第二下行网络端口(14)、第三下行网络端口(15)、第四下行网络端口(16)、第五下行网络端口(17)、第六下行网络端口(18)、第七下行网络端口(19)、第八下行网络端口(20)分别与多组远程设备相连。

10.根据权利要求1所述的一种基于FPAG和ARM架构的CAN网络交换机结构，其特征在于：所述CAN网络交换机(10)设有多个，多个CAN网络交换机之间通过所述上行网络端口和下行网络端口级联连接。