CN2580696Y - 具有故障探测自动容错功能的光电中继器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有故障探测自动容错功能的光电中继器，包括：电缆端口驱动及输入输出通道选择电路、光纤端口驱动电路、光电转换电路、时钟发生电路、波特率跳线设置电路和LED指示灯电路；所述的光纤端口驱动电路、光电转换电路通过数据线双向连接；其特点是，还包括一信号整形与交换处理模块，信号整形与交换处理模块通过数据线分别与电缆端口驱动及输入输出通道选择电路、光纤端口驱动电路、光电转换电路双向连接，该信号整形与交换处理模块的输入端连接时钟发生电路和波特率跳线设置电路，其输出端连接LED指示灯电路。利用该中继器可以灵活的构建总线型、星型以及环型拓扑网络。具有信号的小滞后再生中继、故障探测与自动容错功能、抗干扰能力强等特点，可以广泛的应用于计算机局域网络以及自动化系统的现场总线网络中。

Description

具有故障探测自动容错功能的光电中继器

技术领域

本实用新型属于物理层的信号中继设备，尤其涉及一种用于计算机网络或者自动化系统的现场总线网络中的具有故障探测自动容错功能的光电中继器，

背景技术

中继器作为一种非常重要的网络部件，主要用于信号的再生交换，以拓展网络范围。由于网络标准及网络介质的多样性，中继器的种类很多。

目前已有的中继器中，有些具有智能缓冲功能，但滞后很大，能级联的中继器个数有限。有一些也具有故障探测与自动容错功能，但是它们中一部分只能用于电介质网络中，另外有一部分则只用于对光信号的中继，并且信号衰减严重，适应性不强。其中有些可以用于电缆与光纤混合的网络中，但它们探测故障的方式一般都是在网络中发送额外的故障探测信号，这增加了网络的开销，降低了效率。同时，现有的中继器时延都比较大，由于网络协议大都对数据包到达的时间有限制，如果中继器引入的时延过大，则势必会影响可以级连的中继器个数，网络的扩展范围受到限制。

总的来说，现有的中继器存在如下的一些缺点：

1、现有中继器所能构成的拓扑结构都比较单一，不能满足灵活组网的要求；

2、由电中继器组成的电缆网络系统保密性差，抗干扰能力弱，只能用于短距离传输；

3、有一部分光电中继器，可以用于光纤与电缆混合网络中，但每个中继器只能连接一个网络终端设备，成本较高；

4、实现故障探测的方式是在网络中发送额外的故障探测信号，增加了网络的开销，降低了效率；

5、中继器引入的时延比较大，在网络协议对数据包的到达时限有要求的情况下，可以级联的中继器个数很少，扩展范围不大。

发明内容

针对现有中继器存在的这些缺点，本实用新型提供了一种用于光纤和电缆混合网络中能够灵活构成总线型、星型及环型拓扑结构的具有故障探测自动容错功能的光电中继器。

本实用新型的技术措施是：具有故障探测自动容错功能的光电中继器，包括：电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)、光纤端口驱动电路(3)、光电转换电路(4)、时钟发生电路(5)、波特率跳线设置电路(6)和LED指示灯电路(7)；所述的光纤端口驱动电路(3)、光电转换电路(4)通过数据线双向连接；其特点是，还包括一信号整形与交换处理模块(1)，所述的信号整形与交换处理模块(1)通过数据线分别与电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)、光纤端口驱动电路(3)、光电转换电路(4)双向连接，该信号整形与交换处理模块(1)的输入端连接时钟发生电路(5)和波特率跳线设置电路(6)，其输出端连接LED指示灯电路(7)。

上述故障探测自动容错型光电中继器，其中，所述的的信号整形与交换处理模块(1)由复杂可编程逻辑器件实现，其包括：有效信号到达探测及通道选择电路(11)、信号整形再生模块(12)、故障探测模块(13)、状态寄存器(14)和输出通道选择电路(15)；

所述的有效信号到达探测及通道选择电路(11)的输入端分别连接电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)、光纤端口驱动电路(3)的输出信号，其输出信号分别传输到信号整形再生模块(12)和状态寄存器(14)；

所述的信号整形再生模块(12)的输出信号连接到输出通道选择电路(15)的输入端；

所述的故障探测模块(13)的输入端连接光纤端口驱动电路(3)的输出信号，其输出信号传输到信号整形再生模块(12)；

所述的信号整形再生模块(12)将接收的有效信号到达探测及通道选择电路(11)和故障探测模块(13)的输出信号进行整形后分两路输出，一路输出到电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)的输入端，另一路到输出通道选择电路(15)；

所述的输出通道选择电路(15)的输出信号分别连接到两个光纤端口驱动电路(3)和RS485电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)。

上述故障探测自动容错型光电中继器，其中，所述的中继器具有一个电缆总线端口、两个光纤端口，其中每个光纤端口又包括输入和输出光纤各一根。

由于本实用新型采用了以上的技术方案，因此，其故障探测方式无需额外增加网络开销，每个中继器可以连接一组通过电缆连在一起的网络终端设备或者直接连接一个网络终端，而且时延小、抗干扰能力强、成本比较低、实用性强。

附图说明

本实用新型的具体结构由以下的实施例及其附图进一步给出。

图1是本实用新型光电中继器的外形及接口示意图。

图2是本实用新型光电中继器的电路结构示意图。

图3是本实用新型光电中继器中信号整形与交换处理模块的结构示意图。

图4是采用本实用新型光电中继器构成的总线型拓扑结构的使用状态实施例之一的示意图。

图5是采用本实用新型光电中继器构成的星型拓扑结构的使用状态实施例之二的示意图。

图6是采用本实用新型光电中继器构成的环型拓扑结构的使用状态实施例之三的示意图。

图7是本实用新型实施例中环型拓扑发生故障后向总线型拓扑的自动转化的示意图。

具体实施方式

本实用新型具有故障探测自动容错功能的光电中继器可在满足以下条件的场合使用，该条件为：传输数据的帧格式为：一个起始位、八位数据位、一个停止位。因为RS485中继器是采用平衡模式进行数据传输的串行通讯标准，它可以抑制共模干扰，在实际的远程串行通讯中应用的最多，故本实用新型以使用在RS485标准场合为例说明。

请参阅图1，这是本实用新型中继器的平面外型图，其外部接口包括：系统指示灯01、RS-485电气端口信号指示灯02、第一路光纤端口信号指示灯03、第二路光纤端口信号指示灯04、RS-485电气端口05、第一路光纤端口发送06、第一路光纤端口接收07、第二路光纤端口发送08、第二路光纤端口接收09、电源接线端子010、波特率跳线开关011。

请参见图2。本实用新型具有故障探测自动容错功能的光电中继器，它主要包括如下几个部分：信号整形与交换处理模块1、RS485电缆端口驱动及输入输出通道选择电路2、光纤端口驱动电路3、光电转换电路4、时钟发生电路5、波特率跳线设置电路6和LED指示灯电路7。

信号整形与交换处理模块1是本实用新型整个中继器的核心处理部件，时钟发生电路5向它提供系统的时钟信号，波特率跳线设置电路6也与模块1相连，通过电路6可以对通讯的数据波特率进行设置，信号整形与交换处理模块1根据当前的设置值对时钟信号进行分频处理，以获得要求的时钟信号。信号整形与交换处理模块1向RS485电缆端口驱动及输入输出通道选择电路2提供通道选择控制信号，控制RS485端口输入输出的选通。同时，信号整形与交换处理模块1还向LED指示灯电路7提供指示灯控制信号。其中：

信号整形与交换处理模块1由一片ALTERA公司的MAX7000系列复杂可编程逻辑器件(如EPM7128SLC84-15)实现，与它直接相连的RS485电缆端口驱动及输入输出通道选择电路2采用的是一片DS75176，EPM7128SLC84-15与驱动电路进行双向的数据通讯，并向DS75176提供使能控制逻辑。光电转换电路4使用的是安捷伦公司提供的分体模块HFBR-1414(发送)和HFBR-2412(接收)来发送接收信号并进行电信号到光信号及光信号到电信号的转换。光纤端口驱动电路3使用的是73A13TF00高速与非门，它同时与信号整形与交换处理模块1和光电转换电路4相连接。时钟发生电路所需的晶振频率与所要求的最大波特率有关，一般选择频率位最大波特率的16倍的晶振。中继器可以支持高达1.5MBps的数据速率。

请参见图3。本实用新型的信号整形与交换处理模块1由复杂可编程逻辑器件实现，其包括：有效信号到达探测及通道选择电路11、信号整形再生模块12、故障探测模块13、状态寄存器14和输出通道选择电路15。其中：

有效信号到达探测及通道选择电路11的输入端分别连接电缆端口驱动及输入输出通道选择电路2、光纤端口驱动电路3的输出信号，其输出信号分别传输到信号整形再生模块12和状态寄存器14；它探测三路通道中那一路通道有有效信号到达，一旦有信号到达，它则将信号送入信号整形再生模块进行处理，并将当前的通道选择状态置入寄存器中进行保存。

信号整形再生模块12的输出信号连接到输出通道选择电路15的输入端；对信号中畸变的部分进行整形，并将信号电平放大再生到理想的电平值，这部分是中继器所要实现的最基本的功能。

故障探测模块13的输入端连接光纤端口驱动电路3的输出信号，其输出信号传输到信号整形再生模块12；故障探测主要是针对环型拓扑的情况，在这种情况下，故障探测模块对当前环路的好坏进行探测，并将环路的状态保存在状态寄存器中。

信号整形再生模块12将接收的有效信号到达探测及通道选择电路11和故障探测模块13的输出信号进行整形后分两路输出，一路输出到电缆端口驱动及输入输出通道选择电路2的输入端，另一路到输出通道选择电路15；

输出通道选择电路15的输出信号分别连接到两个光纤端口驱动电路3和RS485电缆端口驱动及输入输出通道选择电路2。

状态寄存器主要用于存储当前的通道选择状态和环路的好坏状态。其它模块根据寄存器中的值，在不同的情况下需要做出不同的处理。

该模块根据状态寄存器中保存的值，对经整形再生模块处理后的信号进行输出通道选择。

图中f和g分别与图2中的两路光纤端口驱动电路(3)连接，h与图2中的RS485电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)相连，i是RS485电缆端口驱动及输入输出通道选择电路的输入输出通道选择控制信号。

由本实用新型光电中继器可以构成总线型、星型和环型三种拓扑结构，分别如图4、图5、图6所示。图中A为终端网络，B为本实用新型光电中继器。

下面结合图1～图6对其工作机理作进一步的说明。本实用新型设计的光电中继器对信号的转发方式根据拓扑结构和网络当前的状态不同而不同。在环型拓扑的情况下，中继器对两路光纤信号的转发方式是将到达的信号从另一路光纤和电缆接口同时转发出去，而对电缆接口到达的信号的转发方式则根据当前环的状态而定，如果环是好的，则只将电缆接口的信号从第二个光纤端口转发出去，否则，将同时从两个光纤端口将电缆接口到达的信号转发出去。总线型与星型这两种拓扑结构，中继器的转发方式跟环型拓扑时环坏的情况一样，实际上，环型拓扑在环路出现故障的情况下，将自动转化为总线型拓扑，不影响通讯的正常进行。

本光电中继器对信号的整形再生方式有对畸变信号的识别能力强、时延小的突出特点。中继器对输入的有效信号进行高频采样，每一个比特位被采样若干次，取其中中间的几次采样作为判断当前比特位电平的标准。这种信号整形方法会引入半个比特位时间的延迟，该中继器除此之外基本上不引入其它别的延时，因此输入信号经过中继器处理转发后会有半个比特位时间的延迟，这与同类型的中继器相比来说是很小的。中继器引入的时延越小，在数据包时限一样的情况下，能级连的中继器个数可以适当增加，从而可以更大的拓展网络的范围。

为了消除线路中的尖峰干扰，本实用新型采用了数据帧起始位有效性判断的特殊处理技术。该处理方法在探测到到达的下降沿后不是一个有效的起始位时，则马上对中继器进行复位，重新开始对下降沿的探测。通过这种方式可以有效的消除线路中的尖峰干扰，从而提高了中继器的抗干扰能力，使得在比较恶劣的环境中也可以应用。

本实用新型中继器具有故障探测和自动容错功能说明如下：

在环型拓扑的情况下，正常时中继器只将电缆端口到达的数据从第二路光纤端口转发出去，数据在光纤环中按顺时针方向传递，最终到达初始转发中继器的第一路光纤端口。如果环路是好的，也就是说光纤线路或者环中的中继器没有发生故障的情况下，初始转发的中继器一定能够在它的第一路光纤端口收到它从电缆端口转发出去的数据信号，否则数据将不会回到它的第一路光纤端口。正是基于这样的事实，本中继器采用了一种不用额外发送故障探测信号的故障探测方法。具体做法是这样的，如图3，中继器将电缆端口h到达的数据帧从第二路光纤端口g转发的同时，故障探测模块c对它的第一路光纤端口f进行监视，看在规定的时限内它转发出去的数据帧是否回到第一路光纤端口，如果确实从第一路光纤端口回收到数据帧则认为环路是正常的，否则认为环路已经发生故障。一旦发现环路已坏，中继器将把电缆端口到达的数据从两个光纤端口同时转发出去，这时环型拓扑自动转化为总线型拓扑，不影响通讯的正常进行。

请参见图7，同时请结合图4、图5、图6所示。图7是本实用新型实施例中环型拓扑发生故障后向总线型拓扑的自动转化的示意图。其中：图7a是环形拓扑结构发生故障时的情形；图7b是发生故障后环形知道转化为总线型拓扑结构。图中：单箭头粗实线为工作光纤；单箭头细实线为冗余或已坏光纤；双向箭头实线为电缆线；×为发生故障。中继器的电缆总线端口连接标准的RS485电缆接口，两个光端口分别连接两根62.5/125um塑料光纤，按照环型拓扑结构图所示构成环型拓扑网络。连网时，电缆总线段要求符合RS485标准的各项指标，每段光纤长度可达2Km。网络在无故障的情况下，按图7a图所示的方式工作，一旦出现故障，则工作方式转化为图7b图所示。故障排除后，工作方式又恢复为图7a的方式。在发生故障的情况下，中继器外部的指示灯可以通知这种情况的发生，并帮助定位故障发生在何处。故障排除后，中继器将又能在它的第一路光纤端口回收到它从电缆端口转发出去的信号，进而判定环路恢复正常，并按正常环路的情况工作。这种故障探测方法的突出优点就是不用发送额外的故障探测信号，而是在对自己发送的数据帧进行回收的同时，完成对环路的故障探测。因此，不会因为故障探测而增加网络的负荷，从而在实现容错功能的同时保证不降低网络的效率。还有一点要特别说明的是，在环型拓扑的情况下，当中继器对电缆端口到达的数据进行转发时，要保证对它转发出去的数据的完全回收，否则未被回收的数据将在环中一直循环下去，这种情况是不允许发生的。

从以上的分析中可以看到，本实用新型中继器实现技术的优点是：

1、运用该光电中继器可以构成总线型、星型以及环型拓扑，组网方式灵活；

2、本光电中继器的信号再生整形技术，使得它对畸变信号的识别再生能力强，尤其引入的时延很小，从而可以增加网络的拓展范围；

3、中继器在不发送额外的故障探测信号的情况下，实现了对网络故障的探测，既实现了功能，又不增加网络负荷，提高了网络的利用效率，实现方法简单有效；

4、采用冗余环型拓扑，环路发生故障的情况下，环型自动转化为总线型拓扑，不影响通讯的正常进行；在环路恢复正常后，又能够自动恢复到环型拓扑结构，增强了系统的自动容错能力，可靠性大大提高；

5、本光电中继器适应用于光电混合传输介质的网络中，这样，既可以保证了骨干传输线上采用光纤使系统具有抗干扰，保密性好，传输距离远的特点，同时在本地采用电缆，大大节约了用户成本；

6、本中继器既能用于一般的计算机网络，也能用于自动化系统的现场总线网络，实用性强。

Claims (3)

1、具有故障探测自动容错功能的光电中继器，包括：电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)、光纤端口驱动电路(3)、光电转换电路(4)、时钟发生电路(5)、波特率跳线设置电路(6)和LED指示灯电路(7)；所述的光纤端口驱动电路(3)、光电转换电路(4)通过数据线双向连接；其特征在于，还包括一信号整形与交换处理模块(1)，所述的信号整形与交换处理模块(1)通过数据线分别与电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)、光纤端口驱动电路(3)、光电转换电路(4)双向连接，该信号整形与交换处理模块(1)的输入端连接时钟发生电路(5)和波特率跳线设置电路(6)，其输出端连接LED指示灯电路(7)。

2、根据权利要求1所述的故障探测自动容错型光电中继器，其特征在于，所述的的信号整形与交换处理模块(1)由复杂可编程逻辑器件实现，其包括：有效信号到达探测及通道选择电路(11)、信号整形再生模块(12)、故障探测模块(13)、状态寄存器(14)和输出通道选择电路(15)；

所述的有效信号到达探测及通道选择电路(11)的输入端分别连接电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)、光纤端口驱动电路(3)的输出信号，其输出信号分别传输到信号整形再生模块(12)和状态寄存器(14)；

所述的信号整形再生模块(12)的输出信号连接到输出通道选择电路(15)的输入端；

所述的故障探测模块(13)的输入端连接光纤端口驱动电路(3)的输出信号，其输出信号传输到信号整形再生模块(12)；

所述的信号整形再生模块(12)将接收的有效信号到达探测及通道选择电路(11)和故障探测模块(13)的输出信号进行整形后分两路输出，一路输出到电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)的输入端，另一路到输出通道选择电路(15)：

所述的输出通道选择电路(15)的输出信号分别连接到两个光纤端口驱动电路(3)和RS485电缆端口驱动及输入输出通道选择电路(2)。

3、根据权利要求1所述的故障探测自动容错型光电中继器，其特征在于，所述的中继器具有一个电缆总线端口、两个光纤端口，其中每个光纤端口又包括输入和输出光纤各一根。

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