KR102526057B1 - 단일 섬유 양방향 제어기 영역 네트워크 버스 - Google Patents

단일 섬유 양방향 제어기 영역 네트워크 버스 Download PDF

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에릭 와이. 찬
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티모시 이. 잭슨
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Abstract

제어기 영역 네트워크(CAN)는 광섬유 네트워크를 포함하는 CAN 버스를 통해 통신하는 복수의 CAN 노드들을 포함한다. 광섬유 네트워크는 송신 및 수신에 단일 섬유 및 단일 파장을 사용하며, 수동 반사성 광 스타를 포함한다. 반사성 광 스타는 한 단부에 미러를 갖는 광 믹싱 로드를 포함한다. 반사성 광 스타의 다른 단부는 각각의 고격리 광 Y-결합기들을 통해 복수의 광-전기 매체 변환기들의 송신기들 및 수신기들에 광학적으로 결합된다. 각각의 CAN 노드는 (CAN 메시지 기반 프로토콜에 따라) 전기 신호들을 발생시키며, 이 전기 신호들은 광섬유 네트워크로 브로드캐스트되는 광 펄스들로 변환된다. 그 다음, 그러한 광 펄스들은 반사성 광 스타에 의해 모든 CAN 노드들로 다시 반사된다.

Description

단일 섬유 양방향 제어기 영역 네트워크 버스{SINGLE-FIBER BIDIRECTIONAL CONTROLLER AREA NETWORK BUS}
본 명세서에 개시된 기술은 일반적으로 전기 컴포넌트들 간의 통신을 가능하게 하는 광 네트워크들에 관한 것이다.
전기 컴포넌트들 간의 데이터 송신은 일반적으로 전기 케이블들을 포함하는 네트워크를 통해 이루어진다. 아날로그 항공 전자 시스템들에서, 다양한 시스템 컴포넌트들 간에 정보를 전송하는 데 사용되는 케이블들의 수는 상당할 수 있다. 디지털 시스템들에서, 신호들은 데이터 버스를 구성하는 한 쌍의 전선들을 따라 송신된다. 버스는 네트워크의 한 부분에서 다른 부분으로 데이터가 송신되게 하는 전선들의 집합이다. 버스 시스템들은 항공기에 탑재된 다양한 항공 전자 시스템들 간에 데이터를 교환하는 효율적인 수단을 제공한다. 모든 버스들은 어드레스 버스와 데이터 버스로 구성된다. 일반적으로 항공기 버스 시스템들은 직렬 데이터 전송을 사용하는데, 이는 항공기 케이블링의 크기와 무게를 최소화하기 때문이다.
일부 시나리오들에서는, 다수의 라인 교체 가능 유닛(LRU: line replaceable unit)들을 서로 접속하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 차량(예컨대, 항공기)의 전방 섹션의 다수의 LRU들은 차량의 후방 섹션의 다수의 LRU들에 접속될 수 있다. 각각의 LRU를 모든 각각의 다른 LRU에 접속하는 것은 LRU들 간에 지나치게 많은 수의 접속부들을 초래할 수 있다. 이러한 모든 접속부들이 구리선들의 형태라면, 접속부들의 결과적인 공간 및 무게가 차량에 부담이 될 수 있다. 전기 데이터 버스들이 LRU들을 접속하는 데 사용되었다.
보다 구체적으로는, 전기 제어기 영역 네트워크(CAN: controller area network)를 사용하여 ("CAN 노드들"로도 또한 알려진) 전기 디바이스들을 ("CAN 버스"로도 또한 알려진) 멀티 마스터 직렬 버스를 통해 서로 접속하는 것이 공지되어 있다. CAN 버스에 의해 접속되는 디바이스들은 일반적으로 센서들, 액추에이터들 및 다른 제어 디바이스들이다. 예를 들어, 전기 제어기 영역 네트워크를 사용하여 다수의 LRU들 간의 통신을 가능하게 하는 것이 알려져 있다.
항공기 상의 현재 전기 CAN 버스 어셈블리들은 적어도 다음의 특징: (1) 케이블 상에 이중 차폐물들을 들어올리고 다시 접속하는 것을 수반하는 T-결합기들의 시간 소모가 큰 조립; (2) T-결합기에서부터 LRU까지의 임계 스터브(stub) 길이들이 동일한 노드 수량을 갖는 다른 CAN 버스에 대한 버스 어셈블리의 재사용을 막음; (3) CAN 단순 전기 시그널링은 Arinc 629 더블릿(doublet)들에 비해 전자기 효과(EME: electro-magnetic effect)들로부터 잘 보호되지 않음; (4) 임피던스 부정합을 피하기 위해 종단 장치(terminator)/T-결합기와 T-결합기/노드 인터페이스들의 주의 깊은 처리가 요구됨; 그리고 (5) 더 긴 항공기들의 경우에 CAN 작동 문제들, 이를테면 경제적 수리한계 초과, 임피던스 부정합 및 버스 반사가 더 악화됨을 포함하는 많은 바람직하지 않은 특징들을 갖는다.
단일 광 데이터 버스는 LRU들 간의 전기 접속부들의 무게와 크기의 일부를 제거할 수 있다. 일반적으로, 유리 광섬유들 및 플라스틱 광섬유들과 같은 광통신 섬유들은 전기 배선보다 더 작은 공간들에 포함되며 더 가벼울 수 있다. 특히, 플라스틱 광섬유들을 사용하는 광 네트워킹은 구리 또는 다른 금속 배선을 사용하는 네트워킹보다 이점들을 제공할 수 있다. 플라스틱 광섬유의 카테고리들은 플라스틱 클래드 실리콘 광섬유, 단일 코어 플라스틱 광섬유 또는 멀티 코어 플라스틱 광섬유를 포함한다. 플라스틱 광섬유 네트워킹은 더 낮은 설치 및 유지보수 비용을 가질 수 있다. 더욱이, 플라스틱 광섬유들은 동등한 양의 데이터를 전달하는 데 필요할 금속 배선보다 가볍기 때문에, 플라스틱 광섬유들의 사용은 상당한 무게 절감을 야기할 수 있다. 무게 절감은 항공기와 같은 네트워크 탑재 차량들의 경우에 중요할 수 있는데, 여기서 무게 절감은 감소된 연료 소비 및 저하된 배출물들을 야기할 것이다.
현재, CAN 신호들의 광섬유 송신들에 대한 업계 표준은 정의되어 있지 않다. 광 CAN 버스에 대한 업계 간행물, 특허들 및 제품들이 있지만, 이들은: 우성(dominant) 비트들과 열성(recessive) 비트들의 분리를 유지하도록 송신 및 수신을 위한 개별 섬유들; 허브의 단일점 장애를 갖는 액티브 광 스타(optical star); 및 다이크로익(dichroic) 미러 및 2개의 파장들을 갖는 길이 확장을 위한 점대점(2-노드 버스) 중계기로부터의 데이터의 단일 섬유 양방향 흐름 중 하나 이상을 사용한다.
광섬유 네트워크를 포함하는 CAN 버스들의 성능을 향상시키기 위한 개선을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
CAN 버스 성능을 향상시키기 위해 본 명세서에서 개시되는 넓은 개념은 전기 CAN 버스(예컨대, ARINC 825)를 수동 광 CAN 버스로 변환하여 버스의 제조 및 설치와 연관된 무게 및 노동력을 줄이고, 서로 다른 데이터 속도들 및 버스/스터브 길이들과 연관된 많은 버스 구성들을 최소화한다. 본 명세서에서 개시되는 광 CAN 버스는 송신과 수신 모두를 위한 단일 광섬유, 송신과 수신 모두를 위한 단일 파장, 수동 반사성 광 스타 및 고격리(high-isolation) 광 Y-결합기들(이하, "광 Y-결합기")를 사용한다.
보다 구체적으로는, 아래에서 상세히 개시되는 요지는 제어기 영역 네트워크(CAN)에 관한 것으로, 이는 광섬유 네트워크를 포함하는 CAN 버스를 통해 통신하는 복수의 CAN 노드들을 포함한다. 광섬유 네트워크는 송신 및 수신에 단일 섬유 및 단일 파장을 사용하며, 수동 반사성 광 스타를 포함하는데, 이는 브로드캐스트된 광 펄스들을 수신하고 이들을 다시 모든 CAN 노드들로 반사시킨다. 반사성 광 스타는 한 단부에 미러를 갖는 광 믹싱 로드(optical mixing rod)를 포함한다. 반사성 광 스타의 다른 단부는 각각의 고격리 광 Y-결합기들을 통해 (복수의 송신 광 서브어셈블리들 및 복수의 수신 광 서브어셈블리들을 포함하는) 복수의 광-전기 매체 변환기들의 송신기들 및 수신기들에 광학적으로 결합된다. 각각의 CAN 노드는 CAN 메시지 기반 프로토콜에 따라 전기 신호들을 발생시키며, 이 전기 신호들은 광섬유 네트워크로 브로드캐스트되는 광 펄스들로 변환된다. 그 다음, 그러한 광 펄스들은 반사성 광 스타에 의해 모든 CAN 노드들로 다시 반사된다.
반사성 광 스타는 각각의 복수의 광 Y-결합기들을 통해 복수의 광-전기 매체 변환기들의 송신기들 및 수신기들에 각각 접속되는 광 혼합기를 포함한다. 각각의 광-전기 매체 변환기는 각각의 출력 플라스틱 광섬유에 의해 각각의 광 Y-결합기의 하나의 브랜치에 광학적으로 결합된 각각의 수신기 및 각각의 입력 플라스틱 광섬유에 의해 각각의 광 Y-결합기의 다른 브랜치에 광학적으로 결합된 각각의 송신기를 포함한다. 선택적으로, 유리 광섬유들이 플라스틱 광섬유들 대신 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어기 영역 네트워크는 각각의 CAN 노드를 각각의 송신 광 서브어셈블리 및 각각의 수신 광 서브어셈블리에 결합하는 각각의 신호 변환기를 포함하며, 이러한 서브어셈블리들은 결국, 광섬유들 및 광 Y-결합기들에 의해 반사성 성형 결합기(star coupler)에 광학적으로 결합된다. 아래에 상세히 개시되는 예시적인 실시예들에 따르면, CAN 노드들은 항공기에 탑재된 각각의 라인 교체 가능 유닛(LRU)들에 통합된다.
아래에 상세히 개시되는 요지의 일 양상은 데이터 통신 시스템이며, 이 시스템은: 전기적으로 동작하는 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들; 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들 중 각각의 제어기 영역 네트워크 노드들에 전기적으로 결합된 복수의 신호 변환기들 ― 각각의 신호 변환기는 차동 신호들을 디지털 신호들로 그리고 그 반대로 변환하는 전기 회로를 포함함 ―; 복수의 신호 변환기들 중 각각의 신호 변환기들에 전기적으로 결합된 복수의 송신 광 서브어셈블리들 ― 각각의 송신 광 서브어셈블리는 각각의 신호 변환기로부터의 디지털 신호들을 광 펄스들로 변환하는 각각의 송신기를 포함함 ―; 복수의 신호 변환기들 중 각각의 신호 변환기들에 전기적으로 결합된 복수의 수신 광 서브어셈블리들 ― 각각의 수신 광 서브어셈블리는 광 펄스들을 각각의 신호 변환기에 전송되는 디지털 신호들로 변환하는 각각의 수신기를 포함함 ―; 및 송신기들 및 수신기들에 광학적으로 결합되어, 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들이 서로 통신할 수 있게 하기 위한 광섬유 네트워크를 포함하며, 광섬유 네트워크는 반사성 광 스타를 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 광섬유 네트워크는 반사성 광 스타에 광학적으로 결합된 복수의 광 Y-결합기들을 더 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 각각의 신호 변환기와 연관된 송신기 및 수신기에 각각 광학적으로 결합되는 송신 브랜치 및 수신 브랜치를 포함한다. 하나의 제안된 구현에서, 각각의 광 Y-결합기의 송신 브랜치는 제1 측면(side face)을 갖는 제1 광섬유를 포함하고, 각각의 광 Y-결합기의 수신 브랜치는 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖는 제2 광섬유를 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 송신 브랜치의 제1 측면과 수신 브랜치의 제2 측면 사이에 배치된 반사 물질 층을 더 포함한다. 제1 광섬유는 제1 단부면(end face)을 갖고, 제2 광섬유는 제2 단부면을 가지며, 각각의 광 Y-결합기는 제1 단부면 및 제2 단부면에 광학적으로 결합되는 단부면을 갖는 제3 광섬유를 더 포함한다. 반사성 성형 결합기는 광 믹싱 로드 및 광 믹싱 로드의 한 단부에 배치된 미러를 포함한다.
아래에 상세히 개시되는 요지의 다른 양상은 데이터 통신 시스템이며, 이 시스템은: 데이터를 나타내는 전기 신호들을 송신 및 수신하도록 구성된 복수의 전기 디바이스들 ― 전기 디바이스들 각각은 메시지 우선순위를 결정하기 위해 비트 단위(bitwise) 중재를 이용하여 메시지들을 브로드캐스트하도록 구성된 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기, 및 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기에 전기적으로 결합된 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버를 포함함 ―; 복수의 제어기 영역 네트워크 트랜시버들 중 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버들에 전기적으로 결합된 복수의 신호 변환기들 ― 각각의 신호 변환기는 차동 신호들을 디지털 신호들로 그리고 그 반대로 변환하는 전기 회로를 포함함 ―; 복수의 신호 변환기들 중 각각의 신호 변환기들에 전기적으로 결합된 복수의 송신 광 서브어셈블리들 ― 각각의 송신 광 서브어셈블리는 각각의 신호 변환기로부터의 디지털 신호들을 광 펄스들로 변환하는 각각의 송신기를 포함함 ―; 복수의 신호 변환기들 중 각각의 신호 변환기들에 전기적으로 결합된 복수의 수신 광 서브어셈블리들 ― 각각의 수신 광 서브어셈블리는 광 펄스들을 각각의 신호 변환기에 전송되는 디지털 신호들로 변환하는 각각의 수신기를 포함함 ―; 및 송신기들 및 수신기들에 광학적으로 결합되어, 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들이 서로 통신할 수 있게 하기 위한 광섬유 네트워크를 포함하며, 광섬유 네트워크는 반사성 광 스타를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 복수의 전기 디바이스들 각각은 각각의 라인 교체 가능 유닛이다.
아래에 상세히 개시되는 요지의 추가 양상은 데이터 통신 시스템이며, 이 시스템은: 데이터를 나타내는 전기 신호들을 송신 및 수신하도록 구성된 복수의 전기 디바이스들 ― 전기 디바이스들 각각은 메시지 우선순위를 결정하기 위해 비트 단위 중재를 이용하여 메시지들을 브로드캐스트하도록 구성된 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기, 및 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기에 전기적으로 결합된 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버를 포함함 ―; 차동 전기 신호들을 광 펄스들로 변환하기 위한 수단; 광 펄스들을 차동 전기 신호들로 변환하기 위한 수단; 및 반사성 광 스타 및 다수의 광 도파로들을 포함하는 광섬유 네트워크를 포함하며, 다수의 광 도파로들은 차동 전기 신호들을 광 펄스들로 변환하기 위한 수단 및 광 펄스들을 차동 전기 신호들로 변환하기 위한 수단에 반사성 광 스타를 광학적으로 결합한다. 일부 실시예들에 따르면, 다수의 광 도파로들은 반사성 광 스타에 광학적으로 결합된 복수의 광 Y-결합기들을 더 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 차동 전기 신호들을 광 펄스들로 변환하기 위한 각각의 수단과 연관된 송신기 및 광 펄스들을 차동 전기 신호들로 변환하기 위한 각각의 수단과 연관된 수신기에 각각 광학적으로 결합되는 송신 브랜치 및 수신 브랜치를 포함한다.
또 다른 양상은 복수의 노드들 간의 제어기 영역 네트워크 통신을 위한 방법이며, 이 방법은: 복수의 노드들 중 하나로부터 메시지를 브로드캐스트하는 단계 ― 메시지는 충돌 검출에 대한 응답으로 비트 단위 중재를 이용하는 통신 프로토콜에 따라 비트들의 시퀀스를 나타내는 송신 차동 전기 신호들을 포함함 ―; 송신 차동 전기 신호들을 광 펄스들로 변환하는 단계; 광 펄스들을 반사성 광 스타 쪽으로 그리고 반사성 광 스타 내로 안내하는 단계; 반사성 광 스타 내에서 광 펄스들을 반사시키는 단계; 반사된 광 펄스들을 복수의 노드들 쪽으로 안내하는 단계; 반사된 광 펄스들을 수신 차동 전기 신호들로 변환하는 단계; 및 각각의 노드에서 수신 차동 전기 신호들을 수신하는 단계를 포함한다.
광섬유 네트워크를 포함하는 CAN 버스들의 다른 양상들이 아래에 개시된다.
이전 섹션에서 논의된 특징들, 기능들 및 이점들은 다양한 실시예들에서는 독립적으로 달성될 수 있거나 또 다른 실시예들에서는 결합될 수 있다. 이하, 앞서 설명한 그리고 다른 양상들의 예시를 위해 도면들을 참조하여 다양한 실시예들이 설명될 것이다. 이 섹션에서 간략하게 설명되는 도면들 중 어느 것도 실척대로 그려져 있지 않다.
도면들에서, (논리 게이트 또는 증폭기와 같은) 전기 디바이스를 나타내는 심벌 상의 원은 버블(bubble)로 불리고, 논리도들에서 외부 논리 상태와 내부 논리 상태 간의 논리 부정(1에서 0 또는 그 반대)을 나타내는 데 사용된다. 정논리 규정(즉, 고전압 레벨 = 1)이 사용된다.
도 1은 기본 전기 제어기 영역 네트워크의 일 구성을 (고 레벨로) 나타내는 도면이다.
도 2는 다수의 LRU들이 서로 통신할 수 있게 하는 전기 CAN 버스의 일반적인 토폴로지를 나타내는 도면이다.
도 3a는 2개의 CAN 노드들 간의 전기 CAN 버스 비트 단위 중재를 도시하는 도면이다.
도 3b는 CAN 버스의 2개의 반전된 논리 상태들(즉, 우성 및 열성)에 대응하는 차동 전압 레벨들(CANH 및 CANL)의 물리적 비트 표현이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따라 송신 모드(도 4a) 및 수신 모드(도 4b)로 광 제어기 영역 네트워크의 일부 컴포넌트들을 나타내는 (블록도의 엘리먼트들과 논리 회로도의 엘리먼트들을 결합하는) 하이브리드 도면들이다.
도 5는 일 실시예에 따라 반사성 광 스타를 포함하는 광 제어기 영역 네트워크를 나타내는 하이브리드 도면이다.
도 6은 내부 반사에 의한 입사광의 전파를 가능하게 하는 광 Y-결합기를 나타내는 도면이다. 오른쪽을 가리키는 화살표는 송신 광 서브어셈블리로부터 반사성 광 결합기 쪽으로 전파하는 광 펄스들을 나타내고; 왼쪽을 가리키는 화살표는 반사성 광 결합기로부터 송신 광 서브어셈블리와 연관된 수신 광 서브어셈블리 쪽으로 전파하는 광 펄스들을 나타낸다.
도 7a는 하나의 제안된 예시적인 구현에 따라 섬유 번들 및 반사성 광 스타 어셈블리의 일부 컴포넌트들의 분해도를 나타내는 도면이다.
도 7b는 도 7a에 부분적으로 도시된 제안된 예시적인 구현에 따라 부분적으로 조립된 섬유 번들 및 반사성 광 스타 어셈블리의 컴포넌트들의 등각도를 나타내는 도면이다.
도 7c는 도 7a 및 도 7b에 부분적으로 도시된 제안된 예시적인 구현에 따라 완전히 조립된 섬유 번들 및 반사성 광 스타 어셈블리의 컴포넌트들의 등각도를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7c에 도시된 완전히 조립된 섬유 번들 및 반사성 광 스타 어셈블리의 다양한 컴포넌트들의 기하학적 구조를 나타내는 도면이다.
이하, 서로 다른 도면들의 비슷한 엘리먼트들이 동일한 참조 번호들을 갖는 도면들에 대해 참조가 이루어질 것이다.
광섬유 네트워크를 포함하는 CAN 버스들의 예시적인 실시예들이 아래에서 어느 정도 상세히 설명된다. 그러나 이 명세서에서 실제 구현의 모든 특징들이 설명되는 것은 아니다. 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 임의의 그러한 실제 실시예의 개발시 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제약들의 준수와 같은 개발자의 구체적인 목표들을 달성하기 위해 많은 구현 특정 결정들이 이루어져야 한다는 것을 인식할 것이며, 이는 구현마다 다를 것이다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 본 개시내용의 이점을 갖는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게는 통상적인 일일 것이라고 인식될 것이다.
본 명세서에서 제안된 기술은 제어기 영역 네트워크에서 전기 데이터 버스 대신 반사성 광 스타를 갖는 광섬유 네트워크로 대체하는 것을 수반한다. 항공기에서 LRU들(CAN 노드를 통합하는 각각의 LRU) 사이의 광통신을 가능하게 하기 위한 광섬유 네트워크의 다양한 실시예들이 예시의 목적으로 상세히 하기에서 설명될 것이다. 그러나 광섬유 네트워크를 포함하는 제어기 영역 네트워크의 구현은 항공기의 환경에만 한정되는 것이 아니라, 그보다는 다른 타입들의 차량들에 탑재된 제어기 영역 네트워크들에 이용될 수 있다. 또한, 아래에 상세하게 개시되는 광 CAN 버스의 실시예들은 전기 디바이스들이 각각의 CAN 노드들을 통합하도록 구성된다면, LRU들 이외의 전기 디바이스들의 네트워크들에 적용된다.
제어기 영역 네트워크들의 기본 원칙들 및 작동 원리들에 관한 기술적 세부사항들이 공개되었다. 그러나 참조에 의한 포함 없이 적절한 개시를 위해, 기본 CAN 버스의 일 구현에 대한 간단한 설명이 이하 도 1을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 CAN 버스(2)의 버스 라인들(2a, 2b)에 접속된 복수의 N 개의 CAN 노드들을 포함하는 제어기 영역 네트워크를 나타내는 도면이다. CAN 버스는 신호 반사들을 방지하기 위해 각각의 단부에서 각각의 저항기들(4a, 4b)에 의해 종결된다. N 개의 CAN 노드들 각각은 각각의 프로세서(8), 각각의 CAN 제어기(10) 및 각각의 CAN 트랜시버(12)를 포함한다. (대안적인 구현들에서, CAN 제어기는 프로세서에 내장되거나 트랜시버에 내장될 수 있다. 후자의 경우, 결과적인 컴포넌트는 본 명세서에서 "CAN 제어기/트랜시버"로 지칭될 것이다.) 도 1에 도시된 구현에 따르면, 프로세서(8) 및 CAN 트랜시버(12)는 CAN 제어기(10)를 통해 서로 (전기적으로) 통신한다. 각각의 CAN 트랜시버(12)는 한 쌍의 스터브들(6a, 6b)에 의해 CAN 버스(2)의 버스 라인들(2a, 2b)에 전기적으로 접속된다. 버스 라인들(2a, 2b) 및 스터브들(6a, 6b)은 전기 도전성 전선들을 포함한다.
CAN 통신 프로토콜에 따라, 각각의 CAN 노드는 메시지들을 전송 및 수신할 수 있지만, 동시에 전송 및 수신하는 것은 아니다. 메시지 또는 프레임은 주로 메시지의 우선순위를 나타내는 식별자, 및 다수의 데이터 바이트들로 구성된다. 메시지는 CAN 트랜시버(12)에 의해 CAN 버스(2)로 순차적으로 송신되며, 모든 CAN 노드들에 의해 수신될 수 있다. CAN 버스(2)에 접속된 각각의 CAN 노드는 메시지를 전송하려고 시도하기 전에 규정된 비활동 기간 동안 대기한다. 충돌이 있다면(즉, 두 노드들이 동시에 메시지들을 전송하려고 시도한다면), 메시지의 식별자 필드 내의 각각의 메시지의 사전 프로그래밍된 우선순위를 기초로 비트 단위 중재를 통해 충돌이 해결된다. 가장 높은 우선순위의 식별자를 포함하는 메시지가 항상 버스 액세스를 획득한다.
도 1을 계속 참조하면, CAN 통신은 양방향이다. 프로세서(8)는 수신된 메시지들이 무엇을 의미하는지 그리고 자신이 어떤 메시지들을 송신하기를 원하는지를 결정한다. (도 1에 도시되지 않은) 센서들, 액추에이터들 및 제어 디바이스들이 프로세서(8)에 접속될 수 있다. 송신 동안, CAN 제어기(10)는 송신 메시지(들)를 CAN 트랜시버(12)에 전송하며, CAN 트랜시버(12)는 CAN 버스(2)가 자유로울 때 그 버스에 순차적으로 비트들을 송신한다. 수신 동안, CAN 트랜시버(12)는 데이터 스트림을 CAN 버스 레벨들로부터 CAN 제어기(10)가 사용하는 레벨들로 변환한다. 송신 동안, CAN 트랜시버(12)는 CAN 제어기(10)로부터의 데이터 스트림을 CAN 버스 레벨들로 변환한다. 보다 구체적으로, CAN 트랜시버(12) 내의 (도 1에 도시되지 않은) 드라이버는 TXD 단자 상의 디지털 입력을 CANH 단자 및 CANL 단자 상의 차동 출력으로 변환한다. CAN 트랜시버(12) 내의 (도 1에 도시되지 않은) 수신기는 CANH 단자 및 CANL 단자로부터의 차동 신호를 RXD 단자 상의 디지털 출력으로 변환한다. CAN 트랜시버(12) 내에서는, 드라이버의 CANH 단자 및 CANL 단자가 내부적으로 수신기의 입력에 묶여 있으며, 이는 각각의 송신 노드가 그 자신의 송신의 각각의 비트를 지속적으로 모니터링할 수 있게 한다.
앞서 설명한 CAN 노드는 라인 교체 가능 유닛(LRU)과 같은 다양한 타입들의 전기 디바이스들에 통합될 수 있다. 도 2는 (LRU1, LRU2, … , LRUn-1, LRUn으로 각각 식별되는) 다수의 n개의 LRU들이 서로 통신할 수 있게 하는 전기 CAN 버스의 일반적인 토폴로지를 나타내는 도면이다. 각각의 LRU는 앞서 설명한 타입의 CAN 노드를 통합한다. 또한, 각각의 LRU는 각각의 LRU-스터브 커넥터(14), 각각의 스터브 케이블(6) 및 각각의 스터브-버스 커넥터(16)를 통해 CAN 버스(2)에 접속된다. CAN 버스(2)의 왼쪽 부분의 전선들은 생성 중단 커넥터(18)에 의해 CAN 버스(2)의 오른쪽 부분의 전선들에 전기적으로 접속될 수 있다. 한 구현에 따르면, 각각의 스터브-버스 커넥터(16)는 버스 상의 노드마다 스플라이스 하나씩, CAN 버스(2)를 스터브 케이블(6)에 접속하는 갈바닉 스플라이스(galvanic splice)이다. 스플라이스 프로시저는, 차폐물들이 분리되어야 하고, 신호 배선들이 스플라이스된 다음, 차폐물들이 열 수축들 및 보호 슬리브들로 다시 접속되기 때문에 귀중한 제조 시간을 차지한다.
도 3a 및 도 3b는 전기 버스에 대한 CAN 버스 프로토콜을 도시하며, 여기서는 우성 비트가 버스 상의 열성 비트보다 우선하여, 비파괴 비트 단위 중재를 달성한다. 도 3a는 2개의 CAN 노드들 간의 전기 CAN 버스 비트 단위 중재를 도시하는 도면이다. 도 3b는 CAN 버스의 2개의 반전된 논리 상태들(즉, 우성 및 열성)에 대응하는 차동 전압 레벨들(CANH 및 CANL)의 물리적 비트 표현이다.
도 3b에서 확인되는 바와 같이, CAN 버스(2)는 디바이스의 동력 조작 동안 두 가지 상태들: 우성(논리값 0) 및 열성(논리값 1)의 두 가지 상태를 갖는다. 우성 버스 상태는 버스가 차동으로 구동될 때(즉, CANH 라인과 CANL 라인 상의 전압 차가 Vdiff(D)인 경우), 각각의 CAN 노드에 통합된 CAN 제어기(10)의 (도 1에 도시된) TXD 단자 및 RXD 단자 상의 논리 로우(low)에 대응한다. 열성 버스 상태는 CAN 트랜시버(12) 내의 (도시되지 않은) 수신기의 고 저항 내부 입력 저항기들을 통해 CAN 버스(2)가 바이어스될 때(즉, CANH 라인과 CANL 라인 상의 전압 차가 Vdiff(R)인 경우), TXD 단자 및 RXD 단자의 논리 하이(high)에 대응한다.
임의의 주어진 시점에 단 하나의 CAN 노드만이 데이터 메시지들을 송신할 수 있다. 2개의 CAN 노드들이 동시에 CAN 버스(2)에 액세스하려고 시도한다면, 무손실 비트 방식 중재를 사용하여 경합이 해결된다. 무손실이란 중재에서 승리한 CAN 노드가 다른 CAN 노드에 의해 메시지가 파괴되거나 손상되지 않고 자신의 메시지를 계속 송신한다는 것을 의미한다. CAN 중재 프로세스는 CAN 제어기(10)에 의해 자동으로 처리된다. 각각의 CAN 프레임 시작시 모든 CAN 노드들에 의해 송신되는 11-비트 식별자를 기초로 특정 CAN 노드에 우선순위가 할당된다. 가장 낮은 식별자를 가진 CAN 노드가 프레임의 시작시 더 많은 0들을 송신하고, 그 노드가 중재에서 승리하거나 가장 높은 우선순위를 부여받는다. 우성 비트는 항상 CAN 버스 상의 열성 비트를 덮어 쓴다.
CAN 비트 단위 중재의 일례가 도 3a에 도시된다. 상위 부분은 시간 간격 동안 노드 A에 의해 생성되는 비트들의 시퀀스를 나타내고; 중간 부분은 동일한 시간 간격 동안 노드 B에 의해 생성되는 비트들의 시퀀스를 나타내고; 하위 부분은 비트 방식 중재 프로세스의 결과로서 CAN 버스(2) 상에서 송신되는 비트들의 시퀀스를 나타낸다. 각각의 노드가 각자의 송신들을 지속적으로 모니터링하기 때문에, 노드 B의 열성 비트가 노드 A의 더 높은 우성 비트로 덮어 쓰기될 때, 노드 B는 버스 상태가 자신이 송신한 비트와 일치하지 않음을 감지한다. 따라서 노드 A가 자신의 메시지를 계속 송신하는 동안 노드 B는 송신을 중단한다. 버스가 노드 A에 의해 해제되면, 메시지를 송신하려는 다른 시도가 노드 B에 의해 이루어진다. 이 시도는 도 3a에서 확인되는 바와 같이 성공적이다.
도 2에 도시된 전기 CAN 버스(2)는 수동 광 CAN 버스로 교체되어, 버스의 제조 및 설치와 연관된 무게 및 노동력을 줄이고, 서로 다른 데이터 속도들 및 버스/스터브 길이들과 연관된 많은 버스 구성들을 최소화할 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따라 송신 모드(도 4a)에서 그리고 수신 모드(도 4b)에서 광 제어기 영역 네트워크의 일부 컴포넌트들을 식별한다. 광 제어기 영역 네트워크는 (도 4a 및 도 4b에 도시되지 않은) 수동 반사성 광 결합기에 동작 가능하게 결합된 복수의 전기적 CAN 노드들을 포함한다. 각각의 전기 CAN 노드는 각각의 신호 변환기(24)를 통해 각각의 송신 광 서브어셈블리(26)(TOSA: transmit optical subassembly) 및 각각의 수신 광 서브어셈블리(28)(ROSA: receive optical subassembly)에 동작 가능하게 결합되는 각각의 CAN 제어기/트랜시버(22)를 포함한다. 보다 구체적으로, 신호 변환기(24)는 CAN 제어기/트랜시버(22)로부터 수신된 CANH 전압 신호 및 CANL 전압 신호를, 송신 광 서브어셈블리(26)로 전송되는 전기적 논리 비트들로 변환하고, 수신 광 서브어셈블리(28)로부터 수신된 전기적 논리 비트들을, CAN 제어기/트랜시버(22)에 전송되는 CANH 전압 신호 및 CANL 전압 신호로 변환한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 신호 변환기(24)는 다음의 전기 컴포넌트들: (a) CAN 제어기/트랜시버(22)의 CANH 단자 및 CANL 단자에 각각 접속되는 차동 입력 단자들과 출력 단자를 갖는 제1 증폭기(40); (b) 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자와 출력 단자를 갖는 OR 게이트(48); (c) 제1 증폭기(40)의 출력 단자에 접속되는 제1 입력 단자, OR 게이트(48)의 출력 단자로부터의 반전된 비트를 수신하도록 구성되어 접속되는 제2 입력 단자, 그리고 송신 광 서브어셈블리(26)에 접속되는 출력 단자를 갖는 제1 AND 게이트(42); (d) 제1 AND 게이트(42)의 출력 단자로부터의 반전된 비트를 수신하도록 접속되는 제1 입력 단자, 수신 광 서브어셈블리(28)에 접속되는 제2 입력 단자, 그리고 OR 게이트(48)의 제1 입력 단자에 접속되는 출력 단자를 갖는 제2 AND 게이트(44); (e) 제2 AND 게이트(44)의 출력 단자에 접속되는 입력 단자, CAN 제어기/트랜시버(22)의 CANH 단자에 접속되는 제1 출력 단자, 그리고 CAN 제어기/트랜시버(22)의 CANL 단자에 반전된 전압 신호를 출력하도록 구성되어 접속되는 제2 출력 단자를 갖는 제2 증폭기(46); 및 (f) 제2 AND 게이트(44)의 출력 단자에 접속되는 입력 단자 및 OR 게이트(48)의 제2 입력 단자에 접속되는 출력 단자를 갖는 시프트 레지스터(50)를 포함한다. 시프트 레지스터(50)는 제2 AND 게이트(44)의 출력 단자로부터 제1 AND 게이트(42)의 제2 입력 단자까지의 내부 루프에서 신호에 전파 시간 지연을 제공한다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따라, 전기 CAN 버스에서의 우성/열성 비트 작용이 광학 도메인에서 어떻게 달성되는지를 보여준다. 노드로부터 출력되는 열성 상태는 광 펄스가 송신되지 않음을 의미한다. 노드로부터 출력되는 우성 상태는 광 펄스가 송신됨을 의미한다. AND 게이트(42)에 의해 출력된 비트는 반전되어 AND 게이트(44)에 피드백된다. AND 게이트(44)에 의해 출력된 비트는 다음에 OR 게이트(48)를 통해 AND 게이트(42)로 루프백되어, 송신 광 서브어셈블리(26) 및 수신 광 서브어셈블리(28)를 통해 CAN 제어기/트랜시버(22)와 통신하도록 접속되어 구성된 다른 CAN 제어기/트랜시버들(도 5 참조)을 폐쇄한다. 서로 다른 수들의 우성 상태 비트들(즉, 광 펄스들)을 갖는 광 송신기들로부터의 충돌은 우성 CAN 신호가 어떻게 작용해야 하는지와 비슷한데, 즉 CAN 프레임의 시작시 더 많은 연속적인 광 펄스들을 송신하는 송신기가 중재에서 승리하고 자신의 메시지를 계속 송신한다.
도 4a에 도시된 컴포넌트들의 구성은 다수의 CAN 제어기/트랜시버들을 단일 반사성 광 스타에 접속하는 데 사용될 수 있다. 도 5는 반사성 광 스타(32)에 동작 가능하게 결합된 다수의 CAN 제어기/트랜시버들(22a-22n)(여기서 n은 3과 같거나 더 큰 정수임)을 도시한다. CAN 제어기/트랜시버(22a)는 신호 변환기(24a), 송신 광 서브어셈블리(26a), 수신 광 서브어셈블리(28a), 그리고 송신 광 서브어셈블리(26a)와 수신 광 서브어셈블리(28a)에 각각 광학적으로 결합되는 2개의 브랜치들을 갖는 광 Y-결합기(30a)를 통해 반사성 광 스타(32)에 동작 가능하게 결합된다. CAN 제어기/트랜시버(22b)는 신호 변환기(24b), 송신 광 서브어셈블리(26b), 수신 광 서브어셈블리(28b), 그리고 송신 광 서브어셈블리(26b)와 수신 광 서브어셈블리(28b)에 각각 광학적으로 결합되는 2개의 브랜치들을 갖는 광 Y-결합기(30b)를 통해 반사성 광 스타(32)에 동작 가능하게 결합된다. CAN 제어기/트랜시버(22n)는 신호 변환기(24n), 송신 광 서브어셈블리(26n), 수신 광 서브어셈블리(28n), 그리고 송신 광 서브어셈블리(26n)와 수신 광 서브어셈블리(28n)에 각각 광학적으로 결합되는 2개의 브랜치들을 갖는 광 Y-결합기(30n)를 통해 반사성 광 스타(32)에 동작 가능하게 결합된다. 도 5에 도시된 실시예에 따르면, 신호 변환기들(24a-24n) 각각은 도 4의 파선 직사각형 내에 도시된 컴포넌트들을 포함한다. 또한, 광 Y-결합기들은 플라스틱 광섬유들(도 5의 POF)을 통해 송신 광 서브어셈블리 및 수신 광 서브어셈블리 그리고 반사성 광 스타에 광학적으로 결합된다.
광섬유는 그 축을 따라 광을 송신하는 원통형 유전체 도파로이다. 섬유는 투명 클래딩(cladding) 층(이하 "클래딩")으로 둘러싸인 투명 코어로 구성되며, 그 둘 다 유전체 재료들로 만들어진다. 내부 전반사 현상에 의해 코어에 광이 유지된다. 코어에 광 신호를 가두기 위해, 코어의 굴절률은 클래딩의 굴절률보다 크다. 코어와 클래딩 사이의 경계는 계단형 굴절률(step-index) 섬유에서와 같이 급격하거나 언덕형 굴절률(graded-index) 섬유에서와 같이 점진적일 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 플라스틱 광섬유들을 이용한다. 플라스틱 광섬유들은 높은 송신 용량, 전자기 간섭 유도 잡음에 대한 탁월한 내성, 경량, 높은 기계적 강도 및 뛰어난 유연성을 갖는다. 플라스틱 광섬유들은 또한 유리 광섬유들에 비해 직경이 더 크다. 플라스틱 광섬유들은 이들의 큰 직경들로 인해, 유리 광섬유들이 갖는 것보다 섬유 오정렬에 대한 더 큰 허용 오차를 갖는다. 이러한 큰 오정렬 허용 오차 때문에, 플라스틱 광섬유 기반 네트워크들은 더 적은 유지보수 및 설치 비용을 갖는다. 항공 우주 플랫폼들에서, 플라스틱 광섬유들은 또한 항공 전자 네트워크에 사용되는 커넥터들 및 트랜시버 컴포넌트들의 비용을 크게 절감한다. 대안적인 실시예들에서는, 유리 광섬유들이 플라스틱 광섬유 대신 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들에 따르면, 반사성 광 스타(32)는 광 Y-결합기들(30a-30n)을 사용하여 CAN 제어기/트랜시버마다 단 하나의 플라스틱 광섬유(POF: plastic optical fiber)로 CAN 제어기/트랜시버들(22a-22n)에 동작 가능하게 결합된다. 따라서 반사성 광 스타(32)를 사용함으로써, CAN 버스 상의 임의의 우성 신호(광 펄스)가 전송 측 자체의 수신기에 의해 그리고 CAN 버스 상의 다른 모든 수신기들에 의해서도 확인될 수 있으며, 이는 모든 열성 신호 전송 측들보다 우선한다.
도 6은 일 실시예에 따른 광 Y-결합기(30)를 나타내는 도면이다. 광 Y-결합기(30)는 3개의 플라스틱 광섬유들(52, 54, 56)을 포함한다. 도 6에 도시되진 않았지만, 플라스틱 광섬유들(52, 54)의 단부면들(52a, 54a)은 플라스틱 광섬유(56)의 단부면(56a)에 접합되어 광학적으로 결합될 것이다. 광 Y-결합기(30)는 내부 반사에 의해 입사광의 전파를 가능하게 하도록 설계된다. 도 6에서 오른쪽을 가리키는 화살표(T)는 광 Y-결합기(30)를 통해 좌측에서 우측으로(예컨대, 송신 광 서브어셈블리(26)로부터 반사성 광 스타(32) 쪽으로) 전파하는 광을 나타내는 반면, 왼쪽을 가리키는 화살표(R)는 우측으로부터 좌측으로(예컨대, 반사성 광 스타(32)로부터 송신 광 서브어셈블리(26)와 연관된 수신 광 서브어셈블리(28)로) 전파하는 광을 나타낸다. 광 Y-결합기(30)는 반사성 광 스타(32)에 대한 CAN 노드의 단일 섬유 접속을 가능하게 한다. 제안된 구현의 일례에 따르면, (도 6에 도시되지 않은) 단일 1㎜ 직경의 플라스틱 광섬유가 도 5에서 확인되는 바와 같이, 각각의 Y-결합기(30)의 플라스틱 광섬유(56)로부터 반사성 광 스타(32)로의 양방향 데이터 송신에 사용된다. 마찬가지로, 플라스틱 광섬유들(52, 54)에 의해 형성된 송신 브랜치 및 수신 브랜치는 도 5에서 확인되는 바와 같이, 송신 광 서브어셈블리(26) 및 수신 광 서브어셈블리(28)에 각각 접속되는 각각의 1㎜ 직경의 플라스틱 광섬유 스터브들에 광학적으로 결합된다.
앞서 설명한 제안된 구현에 따르면, 플라스틱 광섬유들(52, 54, 56)은 각각 플라스틱 광섬유들(52, 54)의 각각의 단부 섹션들을 따르는 것을 제외하고는 1㎜의 직경을 갖는다. 플라스틱 광섬유들(52, 54) 각각은 섬유 재료가 제거되어 각각의 평평한 면들 및 각각의 반원형 단부면들(52a, 54a)을 형성한 각각의 단부 섹션들을 포함한다. 단부 섹션들은 플라스틱 광섬유들(52, 54)의 원형 단면들이 비원형으로 전환되는 곳에서 시작되고 반원형 단부면들(52a, 54a)에서 각각 종결된다. 보다 구체적으로, 플라스틱 광섬유(52)의 단부 섹션은 단부면(52a)과 교차하고 그에 수직인 제1 측면을 형성하도록 성형되는 한편, 플라스틱 광섬유(54)의 단부 섹션은 단부면(54a)과 교차하고 그에 수직인 제2 측면을 형성하도록 성형된다. 이러한 측면들은 은과 같은 얇은 반사 물질 층(58)의 대향하는 표면들에 접합된다. 얇은 반사 재료 층(58)은 플라스틱 광섬유들(52, 54)의 각각의 단부 섹션들 사이의 크로스 토크를 방지한다. 플라스틱 광섬유들(52, 54)의 반원형 단부면들(52a, 54a)은 결합하여 원형 단부면을 형성하는데, 이는 (도 6에 도시되지 않은) 굴절률 매칭 에폭시 층에 의해 플라스틱 광섬유(56)의 원형 단부면(56a)에 접합되어 광학적으로 결합된다. 이러한 굴절률 매칭 에폭시는 송신 광 서브어셈블리(26)로부터 동일한 CAN 노드의 연관된 수신 광 서브어셈블리(28)로의 크로스 토크를 야기할 수 있는 반원형 단부면(54a)에서의 후방 반사를 제거한다.
이제 도 7a - 도 7c를 참조하여 하나의 제안된 예시적인 구현에 따른 POF 번들 및 반사성 광 스타 어셈블리의 구성이 설명될 것이다.
도 7a는 다음의 컴포넌트들: (도 7a에서 볼 수 있는 미가공 단부들은 제외하고) 보호용 재킷들(64)로 둘러싸인 다수(이 예에서는 7개)의 플라스틱 광섬유들(62)을 포함하는 섬유 번들(60); 조립 중에 섬유 번들(60)의 단부가 삽입될 섬유 번들 슬리브(66); 육각형 단면 프로파일을 갖는 광 믹싱 로드(68); 및 조립 중에 광 믹싱 로드(68)가 삽입될 믹싱 로드 슬리브(70)를 보여주는 분해도이다. 광 믹싱 로드(68)의 제1 단부면(65)은 연마되고, 7개의 플라스틱 광섬유들(64)의 단부면들에 광학적으로 결합될 것이고; 광 믹싱 로드(68)의 제2 단부면은 미러(67)을 형성하는 반사 물질의 박막으로 코팅된다.
도 7b는 도 7a에 도시된 컴포넌트들을 갖는 부분적으로 조립된 섬유 번들 및 반사성 광 스타 어셈블리의 등각도이다. 섬유 번들(60)의 단부 부분(이 단부 부분은 플라스틱 광섬유들(64)의 미가공 단부들을 포함함)은 섬유 번들 슬리브(66)로 둘러싸인다. 플라스틱 광섬유들(64)의 미가공 단부들을 수용하는 섬유 번들 슬리브(66)의 축 부분은 플라스틱 광섬유들(64)의 미가공 단부들을 구속하는 섬유 번들 슬리브(66)의 축 부분에 테이퍼링된 내측 표면을 갖는다. 광 믹싱 로드(68)는 믹싱 로드 슬리브(70)로 둘러싸인다. 도 7b는 섬유 번들 슬리브(66) 및 믹싱 로드 슬리브(70)가 갭으로 분리된 것을 보여준다. 최종 조립시, 섬유 번들 슬리브(66) 및 믹싱 로드 슬리브(70)의 단부면들은 서로 접할 것이고, 플라스틱 광섬유들(64)의 단부면들은 광 믹싱 로드(68)의 단부면(65)에 접합되어 광학적으로 결합될 것이다.
도 7c는 도 7a 및 도 7b에 부분적으로 도시된 제안된 예시적인 구현에 따라 완전히 조립된 섬유 번들 및 반사성 광 스타 어셈블리의 컴포넌트들의 등각도를 보여준다. 최종 조립시, 섬유 번들 슬리브(66) 및 믹싱 로드 슬리브(70)의 단부면들은 서로 접한다. 또한, 플라스틱 광섬유들(64)의 단부면들은 (도 7c에 도시되지 않은) 굴절률 매칭 에폭시 층에 의해 광 믹싱 로드(68)의 단부면(65)에 접합되어 광학적으로 결합된다. 광 믹싱 로드(68)의 기능은 미러(67)에 의한 반사 이후, 반사된 전자기 방사가 7개의 모든 광섬유들(64)에 균일하게 분포되도록 7개의 플라스틱 광섬유들(64) 중 임의의 하나로부터 전파되는 모든 전자기 모드들을 혼합하는 것이다. 섬유 번들 슬리브(66) 및 믹싱 로드 슬리브(70)는 결국 성형 외측 하우징(72)으로 둘러싸인다.
도 8은 도 7c에 도시된 완전히 조립된 섬유 번들 및 반사성 광 스타 어셈블리의 다양한 컴포넌트들의 기하학적 구조를 나타내는 도면이다. 섬유 번들 슬리브(66) 및 믹싱 로드 슬리브(70)의 외경들은 동일하다. 성형 외측 하우징(72)은 슬리브들의 외경보다 큰 내경을 갖는 원형의 원통이다. 성형 외측 하우징(72)에는 성형 외측 하우징(72)과 슬리브들 사이의 접착제 주입을 위한 접근 구멍(74)이 제공된다. 섬유 번들 슬리브(66)는 상대적으로 더 작은 내경 및 상대적으로 더 큰 내경을 각각 갖는 2개의 원형의 원통형 섹션들을 포함한다. 상대적으로 더 큰 내경을 갖는 원형의 원통형 섹션은 섬유 번들(60)의 재킷 부분을 둘러싸는 반면, 상대적으로 더 작은 내경을 갖는 원형의 원통형 섹션은 플라스틱 광섬유들(64)의 미가공 단부들을 둘러싼다. 하나의 제안된 구현에서, 플라스틱 광섬유들(64)은 1㎜의 외경을 갖는다. 믹싱 로드 슬리브(70)의 내경은 도 8에서 파선 원으로 표시된다. 광 믹싱 로드(68)의 단면 프로파일은 도 8에서 파선 원 내부의 파선 육각형으로 표시된다. 파선 육각형 내부의 7개의 플라스틱 광섬유들(64)의 단부면들의 위치는 모든 섬유들이 광 믹싱 로드(68)의 제1 단부면(65)에 광학적으로 결합된다는 사실을 나타낸다.
제안된 예시적인 일 구현에 따르면, 각각의 신호 변환기(24)(도 4a 참조)는 각각의 광-전기 매체 변환기에 전기적으로 결합된다. 각각의 광-전기 매체 변환기는: 각각의 신호 변환기(24)로부터 수신된 전기 신호들을 반사성 광 스타(32)의 광 믹싱 로드(68)로 전송될 광 신호들로 변환하기 위한 레이저를 갖는 각각의 송신기; 및 광 믹싱 로드(68)로부터 수신된 광 신호들을 각각의 신호 변환기(24)로 전송될 전기 신호들로 변환하는 광 검출기를 갖는 각각의 수신기를 포함한다.
위에 개시된 애플리케이션들에서 사용하기에 적합한 CAN 노드 컴포넌트들은 Texas Instruments Inc.로부터 상업적으로 입수할 수 있다(이를테면, SN65HVD26x CAN 트랜시버).
본 명세서에 개시된 광 CAN 버스는 송신 및 수신을 위한 단일 광섬유, 송신 및 수신을 위한 단일 파장, 및 액티브 스타에서와 같이 단일점 전자 장애를 피하기 위한 수동 반사성 광 스타를 사용한다. 하나의 제안된 구현에 따르면, 한 쌍의 1㎜ 직경 POF 스터브들에 또한 광학적으로 결합되는 송신 브랜치와 수신 브랜치 사이의 고격리를 갖는 광 Y-결합기를 통해 하나의 LRU로부터 반사성 광 스타로의 양방향 데이터 송신을 위해 단일 1㎜ 직경의 POF가 사용된다. 이 어셈블리는 수동 반사성 광 스타와 POF 스터브들 사이에 커넥터가 없고, 스플라이스들이 없고, 종단 장치들이 없는 단순한 광섬유 버스를 제공한다. 결과적인 광 CAN 버스는 선택된 버스 속도와 관계없이 그리고 반사성 광 스타에서부터 LRU들 내부의 CAN 노드들까지의 거리와 관계없이 기능한다.
본 명세서에 개시된 광 CAN 버스는 EME를 없애고 전기 CAN 버스들의 한계들과 연관된 무게, 크기 및 제조 시간을 줄이기 위해 임의의 모바일 플랫폼(자동차, 탱크, 항공기, 헬리콥터, 우주선 등) 또는 고정 플랫폼(산업 기계 등)에 이용할 수 있다.
다양한 실시예들과 관련하여 광 네트워킹 시스템들이 설명되었지만, 본 명세서의 교시를 벗어나지 않으면서 다양한 변형들이 이루어질 수 있고 등가물들이 이들의 엘리먼트들을 대신할 수 있다고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 이해될 것이다. 추가로, 본 명세서에 개시된 실시에 대한 개념들 및 축소들을 특정 상황에 적응시키기 위해 많은 수정들이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 청구항들에 의해 커버되는 요지는 개시된 실시예들로 한정되지 않는 것으로 의도된다.
청구항들에서 사용되는 바와 같이, "광 도파로"라는 용어는 도파로를 통해 전파하는 전자기 방사를 안내하도록 구성된 다음의 타입들의 엘리먼트들: 광섬유들, 광 커넥터들, 광 Y-결합기들 및 광 믹싱 로드들 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, (청구항들에서 언급되는 바와 같이) “차동 전기 신호들을 광 펄스들로 변환하는” 기능을 수행하는 (위에서 개시된) 대응하는 구조는 신호 변환기(24) 및 송신 광 서브어셈블리(26) 그리고 그 등가물들을 포함하고; (청구항들에서 언급되는 바와 같이) "광 펄스들을 차동 전기 신호들로 변환하는" 기능을 수행하는 (위에서 개시된) 대응하는 구조는 신호 변환기(24) 및 수신 광 서브어셈블리(28) 그리고 그 등가물들을 포함한다.

Claims (15)

  1. 데이터 통신 시스템으로서,
    전기적으로 동작하는 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들;
    상기 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들 중 각각의 제어기 영역 네트워크 노드들에 전기적으로 결합된 복수의 신호 변환기들 ― 각각의 신호 변환기는 차동 신호들을 디지털 신호들로 그리고 그 반대로 변환하는 전기 회로를 포함함 ―;
    상기 복수의 신호 변환기들 중 각각의 신호 변환기들에 전기적으로 결합된 복수의 송신 광 서브어셈블리들 ― 각각의 송신 광 서브어셈블리는 각각의 신호 변환기로부터의 디지털 신호들을 광 펄스들로 변환하는 각각의 송신기를 포함함 ―;
    상기 복수의 신호 변환기들 중 각각의 신호 변환기들에 전기적으로 결합된 복수의 수신 광 서브어셈블리들 ― 각각의 수신 광 서브어셈블리는 광 펄스들을 각각의 신호 변환기에 전송되는 디지털 신호들로 변환하는 각각의 수신기를 포함함 ―; 및
    송신기들 및 수신기들에 광학적으로 결합되어, 상기 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들이 서로 통신할 수 있게 하기 위한 광섬유 네트워크를 포함하며,
    상기 광섬유 네트워크는 반사성 광 스타(reflective optical star)를 포함하고,
    상기 광섬유 네트워크는 상기 반사성 광 스타에 광학적으로 결합된 복수의 광 Y-결합기들을 더 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 각각의 신호 변환기와 연관된 송신기 및 수신기에 각각 광학적으로 결합되는 송신 브랜치 및 수신 브랜치를 포함하고, 그리고
    각각의 광 Y-결합기의 송신 브랜치는 제1 측면(side face)을 갖는 제1 광섬유를 포함하고, 각각의 광 Y-결합기의 수신 브랜치는 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖는 제2 광섬유를 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 상기 송신 브랜치의 제1 측면과 상기 수신 브랜치의 제2 측면 사이에 배치된 반사 물질 층을 더 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광섬유는 제1 단부면(end face)을 갖고, 상기 제2 광섬유는 제2 단부면을 가지며, 각각의 광 Y-결합기는 상기 제1 단부면 및 상기 제2 단부면에 광학적으로 결합되는 제3 단부면을 갖는 제3 광섬유를 더 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    각각의 광 Y-결합기는 상기 제1 단부면과 제3 단부면 사이에 배치된 제1 굴절률 매칭 에폭시 층 및 상기 제2 단부면과 상기 제3 단부면 사이에 배치된 제2 굴절률 매칭 에폭시 층을 더 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    반사성 성형 결합기는 광 믹싱 로드(optical mixing rod) 및 상기 광 믹싱 로드의 한 단부에 배치된 미러를 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들 각각은 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기 및 상기 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기에 전기적으로 결합된 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버를 포함하고,
    제어기 영역 네트워크 제어기들은 비트 단위(bitwise) 중재를 사용하여 통신하도록 구성되는,
    데이터 통신 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    각각의 신호 변환기는,
    각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버의 CANH 단자 및 CANL 단자에 각각 접속되는 차동 입력 단자들 및 출력 단자를 갖는 제1 증폭기;
    제1 입력 단자 및 제2 입력 단자와 출력 단자를 갖는 OR 게이트;
    상기 제1 증폭기의 출력 단자에 접속되는 제1 입력 단자, 상기 OR 게이트의 출력 단자로부터의 반전된 비트를 수신하도록 구성되어 접속되는 제2 입력 단자, 그리고 각각의 송신 광 서브어셈블리에 접속되는 출력 단자를 갖는 제1 AND 게이트;
    상기 제1 AND 게이트의 출력 단자로부터의 반전된 비트를 수신하도록 접속되는 제1 입력 단자, 각각의 수신 광 서브어셈블리에 접속되는 제2 입력 단자, 그리고 상기 OR 게이트의 제1 입력 단자에 접속되는 출력 단자를 갖는 제2 AND 게이트; 및
    상기 제2 AND 게이트의 출력 단자에 접속되는 입력 단자, 상기 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버의 CANH 단자에 접속되는 제1 출력 단자, 및 상기 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버의 CANL 단자에 반전된 전압 신호를 출력하도록 구성되어 접속되는 제2 출력 단자를 갖는 제2 증폭기를 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 AND 게이트의 출력 단자에 접속되는 입력 단자 및 상기 OR 게이트의 제2 입력 단자에 접속되는 출력 단자를 갖는 시프트 레지스터를 더 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  8. 데이터 통신 시스템으로서,
    데이터를 나타내는 전기 신호들을 송신 및 수신하도록 구성된 복수의 전기 디바이스들 ― 상기 전기 디바이스들 각각은 메시지 우선순위를 결정하기 위해 비트 단위 중재를 이용하여 메시지들을 브로드캐스트하도록 구성된 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기, 및 상기 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기에 전기적으로 결합된 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버를 포함함 ―;
    상기 복수의 제어기 영역 네트워크 트랜시버들 중 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버들에 전기적으로 결합된 복수의 신호 변환기들 ― 각각의 신호 변환기는 차동 신호들을 디지털 신호들로 그리고 그 반대로 변환하는 전기 회로를 포함함 ―;
    상기 복수의 신호 변환기들 중 각각의 신호 변환기들에 전기적으로 결합된 복수의 송신 광 서브어셈블리들 ― 각각의 송신 광 서브어셈블리는 각각의 신호 변환기로부터의 디지털 신호들을 광 펄스들로 변환하는 각각의 송신기를 포함함 ―;
    상기 복수의 신호 변환기들 중 각각의 신호 변환기들에 전기적으로 결합된 복수의 수신 광 서브어셈블리들 ― 각각의 수신 광 서브어셈블리는 광 펄스들을 각각의 신호 변환기에 전송되는 디지털 신호들로 변환하는 각각의 수신기를 포함함 ―; 및
    송신기들 및 수신기들에 광학적으로 결합되어, 상기 복수의 제어기 영역 네트워크 노드들이 서로 통신할 수 있게 하기 위한 광섬유 네트워크를 포함하며, 상기 광섬유 네트워크는 반사성 광 스타를 포함하고,
    상기 광섬유 네트워크는 상기 반사성 광 스타에 광학적으로 결합된 복수의 광 Y-결합기들을 더 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 각각의 신호 변환기와 연관된 송신기 및 수신기에 각각 광학적으로 결합되는 송신 브랜치 및 수신 브랜치를 포함하고, 그리고
    각각의 광 Y-결합기의 송신 브랜치는 제1 측면을 갖는 제1 광섬유를 포함하고, 각각의 광 Y-결합기의 수신 브랜치는 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖는 제2 광섬유를 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 상기 송신 브랜치의 제1 측면과 상기 수신 브랜치의 제2 측면 사이에 배치된 반사 물질 층을 더 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    반사성 성형 결합기는 광 믹싱 로드 및 상기 광 믹싱 로드의 한 단부에 배치된 미러를 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 디바이스들 각각은 각각의 라인 교체 가능 유닛인,
    데이터 통신 시스템.
  11. 데이터 통신 시스템으로서,
    데이터를 나타내는 전기 신호들을 송신 및 수신하도록 구성된 복수의 전기 디바이스들 ― 상기 전기 디바이스들 각각은 메시지 우선순위를 결정하기 위해 비트 단위 중재를 이용하여 메시지들을 브로드캐스트하도록 구성된 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기, 및 상기 각각의 제어기 영역 네트워크 제어기에 전기적으로 결합된 각각의 제어기 영역 네트워크 트랜시버를 포함함 ―;
    차동 전기 신호들을 광 펄스들로 변환하기 위한 수단;
    광 펄스들을 차동 전기 신호들로 변환하기 위한 수단; 및
    반사성 광 스타 및 다수의 광 도파로들을 포함하는 광섬유 네트워크를 포함하며,
    상기 다수의 광 도파로들은 상기 차동 전기 신호들을 광 펄스들로 변환하기 위한 수단 및 상기 광 펄스들을 차동 전기 신호들로 변환하기 위한 수단에 상기 반사성 광 스타를 광학적으로 결합하고,
    상기 다수의 광 도파로들은 상기 반사성 광 스타에 광학적으로 결합된 복수의 광 Y-결합기들을 더 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 차동 전기 신호들을 광 펄스들로 변환하기 위한 각각의 수단과 연관된 송신기 및 광 펄스들을 차동 전기 신호들로 변환하기 위한 각각의 수단과 연관된 수신기에 각각 광학적으로 결합되는 송신 브랜치 및 수신 브랜치를 포함하고, 그리고
    각각의 광 Y-결합기의 송신 브랜치는 제1 측면을 갖는 제1 광섬유를 포함하고, 각각의 광 Y-결합기의 수신 브랜치는 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖는 제2 광섬유를 포함하며, 각각의 광 Y-결합기는 상기 송신 브랜치의 제1 측면과 상기 수신 브랜치의 제2 측면 사이에 배치된 반사 물질 층을 더 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    반사성 성형 결합기는 광 믹싱 로드 및 상기 광 믹싱 로드의 한 단부에 배치된 미러를 포함하는,
    데이터 통신 시스템.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 디바이스들 각각은 각각의 라인 교체 가능 유닛인,
    데이터 통신 시스템.
  14. 삭제
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