TWI729263B - 單光纖雙向控制器區域網路匯流排 - Google Patents

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Abstract

一種控制器區域網路(CAN)，其包括多個CAN節點，所述CAN節點經由包括光纖網路的CAN匯流排進行通信。所述光纖網路使用單一光纖和單一波長進行發送和接收，並包括一被動反射式光學星形件。反射式光學星形件在其中一端包括具有鏡的光學混合棒。反射式光學星形件的另一端藉由相應的高隔離度光學Y形耦合器而光耦合到多個光電介質轉換器的發送器和接收器。每個CAN節點產生電信號(根據基於CAN信息的協定)，這些信號被轉換成會被廣播到光纖網路的光脈衝。然後，這些光脈衝被反射式光學星形件反射回所有CAN節點。

Description

單光纖雙向控制器區域網路匯流排
本文揭露的技術大致上涉及致能電子部件之間的通信的光學網路。
電子部件之間的資料傳輸通常通過包括電纜的網路來實現。在類比航空電子系統中，用以在各種系統部件之間傳輸訊息的電纜之數量可能相當大量。在數位系統中，信號沿著單一對的線路而傳輸，構成資料匯流排。匯流排是通過其將資料從網路的一部分傳輸到另一部分的線路集合。匯流排系統提供了一種在飛機上的不同航空電子系統之間交換資料的有效手段。所有的匯流排都由位址匯流排和資料匯流排所組成。通常飛機匯流排系統使用串列資料傳輸，因為它將航空器纜線的尺寸和重量降至最低。
在某些情況下，需要將數個現場可更換單元(LRU)相互連接。舉例而言，交通工具(例如飛機)前方部分中的數個LRU可以連接到交通工具尾部的數個LRU。將每個LRU連接到每個其他LRU可能會導致LRU之間的連接數量大到不合理。如果所有這些連接都是銅線形式的，那麼由此產生的連接空間和重量對於交通工具來說會是惱人的。電性資料匯流排已被用以連接LRU。
更具體地說，已知使用電性控制器區域網路(CAN)藉由多主控串列匯流排(也稱為“CAN匯流排”)將電性裝置(也稱為“CAN節點”)彼此連接。通過CAN匯流排所連接的裝置通常是感測器、致動器和其他控制裝 置。例如，已知使用電性控制器區域網路來促進多個LRU之間的通信。
目前飛機上的電性CAN匯流排組件具有許多不合需要的特性，包含至少以下幾點：(1)涉及將電纜上的雙重屏蔽升起和重新連接的T型耦合器之耗時組裝；(2)從T型耦合器到LRU的關鍵短截線長度阻止了匯流排組件重新用於具有相同節點數量的另一條CAN匯流排；(3)與Arinc 629雙聯體相比，CAN簡單的電信號並未被很好地保護以避免電磁效應(EME)；(4)需要仔細處理終端器/T型耦合器和T型耦合器/節點介面以避免阻抗不匹配；以及(5)CAN操作問題，例如超過經濟修復、阻抗不匹配和匯流排反射對於較長的飛機變得更糟。
單一光學資料匯流排可以消除LRU之間電連接的一些重量和尺寸。通常，諸如玻璃光纖和塑料光纖的光通信光纖可以更輕並且包含在比電線更小的空間中。特別是，使用塑料光纖的光學網路可以提供優於使用銅或其他金屬佈線的網路的優點。塑料光纖的種類包括塑料纖殼矽光纖、單纖核塑料光纖或多纖核塑料光纖。塑料光纖網路可具有較低的安裝和維護成本。此外，由於塑料光纖比攜載相同數量資料所需的金屬佈線輕，所以使用塑料光纖可導致明顯的重量減輕。減輕重量對於網路機載交通工具(例如飛機)而言可說是重要的，其中重量減輕可以導致燃料消耗減少並且降低排放。
目前，沒有為CAN信號的光纖傳輸定義產業標準。有光學CAN匯流排的產業出版物、專利和產品，但它們使用以下一種或多種：用於發送和接收的各別光纖，以保持顯性位元和隱性位元的分離；具有集線器單點故障的主動光學星形件；以及一個單光纖雙向資料流點對點(雙節點匯流排)中繼器，用於分色鏡和兩個波長的長度擴展。
所期望的是提供改進以提高包括光纖網路的CAN匯流排的性能。
本文揭露的是用於增強CAN匯流排性能的廣義概念，將電性CAN匯流排(例如，ARINC 825)轉換為被動光學CAN匯流排，以減少與匯流排的製造和安裝相關聯的重量和勞力，並且最小化與不同的資料速度和匯流排/短截線長度相關聯的諸多匯流排組態。本文揭露的光學CAN匯流排使用用於發送和接收的單一光纖、用於發送和接收的單一波長、被動反射式光學星形件和高隔離度光學Y形耦合器(在下文中稱為“光學Y形耦合器”)。
更具體地，以下詳細揭露的標的涉及一種控制器區域網路(CAN)，其包括多個CAN節點，所述CAN節點經由包括光纖網路的CAN匯流排進行通信。所述光纖網路使用單一光纖和單一波長進行發送和接收，並包括一被動反射式光學星形件，它接收廣播光脈衝並將它們反射回所有CAN節點。反射式光學星形件在其中一端包括具有鏡的光學混合棒。反射式光學星形件的另一端藉由相應的高隔離度光學Y形耦合器而光耦合到多個光電介質轉換器(包括多個發送光學子組件和多個接收光學子組件)的發送器和接收器。每個CAN節點根據基於CAN信息的協定產生電信號，該電信號被轉換成會被廣播到光纖網路的光脈衝。然後，這些光脈衝被反射式光學星形件反射回所有CAN節點。
反射式光學星形件包括光學混合器，其通過相應的多個光學Y形耦合器分別連接到多個光電介質轉換器的發送器和接收器。每個光電介質轉換器包括各自的接收器和各自的發送器，各自的接收器藉由相應的輸出塑料光纖而光耦合到相應的光學Y形耦合器的一個分支，且各自的發送器藉由相應的輸入塑料光纖而光耦合到相應的光學Y形耦合器的另一個分支。可選地，可以使用玻璃光纖代替塑料光纖。
根據一個實施例，控制器區域網路包括相應的信號轉換器，該信號轉換器將相應的CAN節點耦合到相應的發送光學子組件和相應的接收光學子組件，這些子組件依次藉由光纖和光學Y形耦合器而光學耦合到反射式星形耦合 器。根據以下所詳細揭露的示例性實施例，CAN節點被併入在飛機上的相應現場可更換單元(LRU)中。
以下所詳細揭露的標的之一態樣是一種資料通信系統，其包括：電性操作的多個控制器區域網路節點；多個信號轉換器，所述多個信號轉換器電耦合到所述多個控制器區域網路節點中的相應控制器區域網路節點，每個信號轉換器包括將差分信號轉換為數位信號且反之亦然的電路；多個發送光學子組件，其電耦合到所述多個信號轉換器中的相應信號轉換器，每個發送光學子組件包括將來自相應信號轉換器的數位信號轉換成光脈衝的相應發送器；多個接收光學子組件，其電耦合到所述多個信號轉換器中的相應信號轉換器，每個接收光學子組件包括將光脈衝轉換為數位信號的相應接收器，所述數位信號被發送到相應的信號轉換器；以及光纖網路，其光學耦合到發送器和接收器，用於使所述多個控制器區域網路節點能夠彼此通信，其中所述光纖網路包括反射式光學星形件。根據一些實施例，所述光纖網路進一步包括光學耦合到反射式光學星形件的多個光學Y形耦合器，每個光學Y形耦合器包括發送和接收分支，發送和接收分支分別光學耦合到與相應信號轉換器相關聯的發送器和接收器。在一個提出的施行方式中，每個光學Y形耦合器的發送分支包括具有第一側面的第一光纖，每個光學Y形耦合器的接收分支包括具有面對所述第一側面的第二側面的第二光纖，並且每個光學Y形耦合器進一步包括設置在發送和接收分支的第一和第二側面之間的反射材料層。第一光纖具有第一端面，第二光纖具有第二端面，並且每個光學Y形耦合器進一步包括具有光學耦合到第一和第二端面的端面的第三光纖。反射式星形耦合器包括光學混合棒和設置在光學混合棒一端的鏡。
以下所詳細揭露的標的之另一個態樣是一種資料通信系統，其包括：多個電性裝置，被配置為發送和接收表示資料的電信號，其中每個電性裝 置包括相應的控制器區域網路控制器，該控制器區域網路控制器被配置為使用用以確定信息優先級的逐位仲裁來廣播信息，以及電耦合到相應控制器區域網路控制器的相應控制器區域網路收發器；多個信號轉換器，所述多個信號轉換器電耦合到所述多個控制器區域網路收發器中的相應控制器區域網路收發器，每個信號轉換器包括將差分信號轉換為數位信號且反之亦然的電路；多個發送光學子組件，其電耦合到所述多個信號轉換器中的相應信號轉換器，每個發送光學子組件包括將來自相應信號轉換器的數位信號轉換成光脈衝的相應發送器；多個接收光學子組件，其電耦合到所述多個信號轉換器中的相應信號轉換器，每個接收光學子組件包括將光脈衝轉換為數位信號的相應接收器，所述數位信號被發送到相應的信號轉換器；以及光纖網路，其光學耦合到所述發送器和接收器，用於使所述多個控制器區域網路節點能夠彼此通信，其中所述光纖網路包括反射式光學星形件。根據一個實施例，多個電性裝置中的每一個是相應的現場可更換單元。
以下所詳細揭露的標的之進一步態樣是一種資料通信系統，其包括：多個電性裝置，被配置用於發送和接收表示資料的電信號，其中每個電性裝置包括相應的控制器區域網路控制器，其被配置為使用用以確定信息優先級的逐位仲裁來廣播信息，以及電耦合到相應控制器區域網路控制器的相應控制器區域網收發器；用於將差分電信號轉換成光脈衝的裝置；用於將光脈衝轉換成差分電信號的裝置；以及光纖網路，其包括反射式光學星形件和多個光學波導，所述光學波導將所述反射式光學星形件光學耦合到所述用於將差分電信號轉換成光脈衝的裝置以及所述用於將光脈衝轉換成差分電信號的裝置。根據一些實施例，多個光學波導進一步包括光學耦合到反射式光學星形件的多個光學Y形耦合器，每個光學Y形耦合器包括發送和接收分支，其分別光學耦合到與相應用於將差分電信號轉換成光脈衝的裝置相關聯的發送器和與相應用於將光脈衝 轉換成差分電信號的裝置相關聯的接收器。
又一態樣是一種用於在多個節點之間的控制器區域網路通信的方法，包括：從多個節點中的一個節點廣播信息，該信息包括表示基於通信協定的位元序列的發送差分電信號，所述通信協定使用回應於衝突偵測的逐位仲裁；將所述發送差分電信號轉換成光脈衝；引導光脈衝朝向並進入反射式光學星形件；將反射式光學星形件內的光脈衝加以反射；引導反射的光脈衝朝向所述多個節點；將反射的光脈衝轉換成接收差分電信號；以及在每個節點處接收所述接收差分電信號。
以下揭露了包括光纖網路的CAN匯流排的其他態樣。
2‧‧‧CAN匯流排
2a‧‧‧匯流排線路
2b‧‧‧匯流排線路
4a‧‧‧電阻器
4b‧‧‧電阻器
6‧‧‧短截線電纜
6a‧‧‧短截線
6b‧‧‧短截線
8‧‧‧處理器
10‧‧‧CAN控制器
12‧‧‧CAN收發器
14‧‧‧LRU短截線連接器
16‧‧‧短截線匯流排連接器
18‧‧‧生產中斷連接器
22‧‧‧CAN控制器/收發器
22a~22n‧‧‧CAN控制器/收發器
24‧‧‧信號轉換器
24a~24n‧‧‧信號轉換器
26‧‧‧發送光學子組件
26a~26n‧‧‧發送光學子組件
28‧‧‧接收光學子組件
28a~28n‧‧‧接收光學子組件
30‧‧‧光學Y形耦合器
30a~30n‧‧‧光學Y形耦合器
32‧‧‧反射式光學星形件
40‧‧‧第一放大器
42‧‧‧第一AND閘
44‧‧‧第二AND閘
46‧‧‧第二放大器
48‧‧‧OR閘
50‧‧‧移位暫存器
52‧‧‧塑料光纖
52a‧‧‧塑料光纖的端面
54‧‧‧塑料光纖
54a‧‧‧塑料光纖的端面
56‧‧‧塑料光纖
56a‧‧‧塑料光纖的端面
58‧‧‧反射材料
60‧‧‧纖維束
62‧‧‧塑料光纖
64‧‧‧保護套
65‧‧‧光學混合棒的端面
66‧‧‧纖維束套管
67‧‧‧鏡
68‧‧‧光學混合棒
70‧‧‧混合棒套管
72‧‧‧星形件外殼
74‧‧‧進入孔
前面章節中所討論的特徵、功能和優點可以在各種實施例中獨立實現，或者可以在其他實施例中加以組合。為了說明上述和其他態樣，下文將參考附圖描述各種實施例。本節簡要描述的圖表均未按比例繪製。
在附圖中，表示電性裝置(例如邏輯閘或放大器)的符號上的圓形被稱為泡泡，並在邏輯圖中用於指示外部邏輯狀態和內部邏輯狀態之間的邏輯反向(1到0，或反之亦然)。所使用的是正邏輯慣例(即，高電壓位準=1)。
圖1是(以高位準)表示基本電性控制器區域網路的一種配置的圖。
圖2是表示使多個LRU能夠彼此通信的電性CAN匯流排的典型拓撲的圖。
圖3A是顯示兩個CAN節點之間的電性CAN匯流排逐位仲裁的圖。
圖3B是對應於CAN匯流排的兩個反向邏輯狀態(即顯性和隱性)的差分電壓位準(CANH和CANL)的實體位元表示。
圖4A和圖4B是表示根據一個實施例的發送模式(圖4A)和接收模式(圖4B)中的光學控制器區域網路的一些部件的混合示圖(組合方塊圖的元件和邏輯電路圖的元件)。
圖5是表示根據一個實施例的包括反射式光學星形件的光學控制器區域網路的混合示圖。
圖6是表示通過內部反射促進入射光傳播的光學Y形耦合器的圖。指向右側的箭頭表示從發送光學子組件朝向反射式光學耦合器傳播的光脈衝；指向左邊的箭頭表示從反射式光學耦合器朝向與發送光學子組件相關聯的接收光學子組件傳播的光脈衝。
圖7A是表示根據一個提出的示例性施行方式的光纖束和反射式光學星形組件的一些部件的分解視圖的圖。
圖7B是表示根據在圖7A中部分描繪的所提出的示例性施行方式的部分組裝的光纖束和反射式光學星形組件的部件的等距視圖的圖。
圖7C是表示根據在圖7A和圖7B中部分描繪的所提出的示例性施行方式的完全組裝的光纖束和反射式光學星形組件的部件的等距視圖的圖。
圖8是表示圖7C中所描繪的完全組裝的光纖束和反射式光學星形組件的各種部件的幾何結構的圖。
以下將參考附圖，其中不同附圖中的類似元件具有相同的元件符號。
以下將詳細描述包括光纖網路的CAN匯流排的說明性實施例。然而，本說明書並未描述實際施行方式的所有特徵。本領域技術人員將認識到，在任何這樣的實際實施例的開發中，必須做出許多實現特定的決定以實現開發者的特定目標，諸如符合系統相關和商業相關的約束，其將根據一個施行方式到另一個施行方式而改變。此外，應該理解的是，這樣的開發工作可能是複雜且耗時的，但對於受益於本揭示的本領域技術人員而言仍然是常規的工作。
本文提出的技術涉及以具有反射式光學星形件的光纖網路來取代控制器區域網路中的電資料匯流排。出於說明的目的，以下將詳細描述用於 致能飛機上的LRU(包含CAN節點的每個LRU)之間的光學通信的光纖網路的各種實施例。然而，包括光纖網路的控制器區域網路的施行不僅限於飛機的環境，而是可以用於其他類型的交通工具上的控制器區域網路。而且，以下詳細揭露的光學CAN匯流排的實施例具有應用於除了LRU之外的電性裝置的網路，只要電性裝置被配置為併入相應的CAN節點。
有關控制器區域網路的基本原理和操作原理的技術細節已經公開了。然而，為了充分揭露而沒有通過引用併入，將在下文中參照圖1來描述基本CAN匯流排的一個施行方式的簡要說明。
圖1是表示包括連接到CAN匯流排2的匯流排線路2a和2b的多個(N個)CAN節點的控制器區域網路的圖。CAN匯流排在各端由相應的電阻器4a和4b終止，以防止信號反射。N個CAN節點中的每一個包括相應的處理器8、相應的CAN控制器10、相應的CAN收發器12(在可替換的施行方式中，CAN控制器可以嵌入於處理器中或嵌入於收發器中，在後一種情況下，所得到的部件在本文將被稱為“CAN控制器/收發器”)。根據圖1所示的施行方式，處理器8和CAN收發器12藉由CAN控制器10而彼此(電性地)通信。每個CAN收發器12通過一對短截線6a和6b電連接到CAN匯流排2的匯流排線路2a和2b。匯流排線路2a和2b以及短截線6a和6b包括導電線。
根據CAN通信協定，每個CAN節點都能夠發送和接收信息，但不能同時進行。信息或訊框主要由代表信息優先級的識別符以及一些資料位元組所組成。該信息由CAN收發器12串列傳輸到CAN匯流排2上，並且可以由所有的CAN節點來接收。連接到CAN匯流排2的每個CAN節點在嘗試發送信息之前等待一段經規定的非活動期間。如果發生衝突(即，如果兩個節點試圖同時發送信息)，則基於信息的識別符欄位中每個信息的預編程優先級，透過逐位仲裁來解決衝突。包含最高優先級識別符的信息總是獲得匯流排存取的權限。
仍然參考圖1，CAN通訊是雙向的。處理器8決定接收到的信息的含義以及它想要發送什麼信息。感測器、致動器和控制裝置(圖1中未示出)可以連接到處理器8。在傳輸期間，CAN控制器10將傳輸信息發送到CAN收發器12，當匯流排是空閒的，CAN收發器12將位元串列地傳輸到CAN匯流排2。在接收期間，CAN收發器12將來自CAN匯流排位準的資料串流轉換成CAN控制器10所使用的位準。在傳輸期間，CAN收發器12將來自CAN控制器10的資料串流轉換成CAN匯流排位準。更具體地，CAN收發器12內的驅動器(圖1中未示出)將TXD端子上的數位輸入轉換為CANH和CANL端子上的差分輸出。CAN收發器12內的接收器(圖1中未示出)將來自CANH和CANL端子的差分信號轉換為RXD端子上的數位輸出。在CAN收發器12內部，驅動器的CANH和CANL端子在內部連接到接收器的輸入，這使得每個發送節點能夠持續監視其自身傳輸的每個位元。
上述CAN節點可以被併入於各種類型的電性裝置中，例如現場可更換單元(LRU)。圖2是表示使多個(n個)LRU(分別被標識為LRU1、LRU2、...LRUn-1、LRUn)能夠彼此通信的電性CAN匯流排的典型拓撲的圖。每個LRU包括之前所述類型的CAN節點。此外，每個LRU藉由相應的LRU短截線連接器14、相應的短截線電纜6和相應的短截線匯流排連接器16而連接到CAN匯流排2。左側部分的線路可以藉由生產中斷連接器18電連接到CAN匯流排2的右側部分的線路。根據一個施行方式，每個短截線匯流排連接器16是電性接合，其將CAN匯流排2連接到短截線電纜6，匯流排上每個節點的一個接合。接合過程佔用了寶貴的製造時間，因為必須將屏蔽件分離出來、將信號線路接合起來、然後將屏蔽件連接回來，還要處理熱收縮和保護套管。
圖3A和圖3B顯示用於電性匯流排的CAN匯流排協定，其中顯性位元優先於匯流排上的隱性位元以實現非破壞性逐位仲裁。圖3A是顯示兩個 CAN節點之間的電性CAN匯流排逐位仲裁的圖。圖3B是對應於CAN匯流排的兩個反向邏輯狀態(即顯性和隱性)的差分電壓位準(CANH和CANL)的實體位元表示。
如圖3B所示，在裝置的供電操作期間，CAN匯流排2具有兩個狀態：顯性(邏輯0)和隱性(邏輯1)。顯性匯流排狀態是在匯流排被差分驅動的時候(即，CANH和CANL線路上的電壓差為Vdiff(D))，對應於包含在每個CAN節點中的CAN控制器10的TXD和RXD端子(如圖1所示)上的邏輯低位準。隱性匯流排狀態是在CAN匯流排2透過CAN收發器12內部的接收器(未示出)的高電阻內部輸入電阻器而偏壓(即，CANH和CANL線路上的電壓差為Vdiff(R))的時候，對應於TXD和RXD端子上的邏輯高位準。
在任何給定時間下，只有一個CAN節點可以傳輸資料信息。如果同時有兩個CAN節點試圖存取CAN匯流排2，則使用無失真逐位仲裁來解決爭用。無失真意指贏得仲裁的CAN節點繼續傳輸其信息，而不會讓信息被另一個CAN節點破壞或損壞。CAN仲裁過程由CAN控制器10自動處理。基於在每個CAN訊框開始時由所有CAN節點發送的11位識別符，將優先級分配給特定的CAN節點。具有最低識別符的CAN節點在訊框的開始處傳輸更多的零，且該節點贏得仲裁或被賦予最高優先級。在CAN匯流排上，一個顯性位元總是優先於一個隱性位元。
CAN逐位仲裁的一個例子在圖3A中示出。上面的部分表示在一個時間區間期間由節點A產生的位元序列；中間的部分表示在相同的時間間隔期間由節點B產生的位元序列；而下面的部分表示由於逐位仲裁處理的結果而在CAN匯流排2上傳輸的位元序列。由於每個節點連續監視自己的傳輸，且因為節點B的隱性位元被節點A的高優先級顯性位元超越，所以節點B偵測到匯流排狀態與其傳輸的位元不匹配。因此，節點B暫停傳輸，而節點A繼續傳輸其信息。 一旦匯流排由節點A釋放，節點B安排另一次傳輸信息的嘗試。這種嘗試會成功，如圖3A所示。
圖2中所示的電性CAN匯流排2可以由被動光學CAN匯流排所取代，以減少與匯流排的製造和安裝相關聯的重量和勞力，並最小化與不同的資料速度和匯流排/短截線長度相關聯的諸多匯流排組態。圖4A和圖4B識別根據一個實施例在發送模式(圖4A)和接收模式(圖4B)中的光學控制器區域網路的一些部件。光學控制器區域網路包括操作性地耦合到被動反射式光學耦合器(圖4A和圖4B中未示出)的多個電性CAN節點。每個電性CAN節點包括相應的CAN控制器/收發器22，該CAN控制器/收發器22藉由相應的信號轉換器24而操作性地耦合到相應的發送光學子組件26(TOSA)和相應的接收光學子組件28(ROSA)。更具體地，信號轉換器24將從CAN控制器/收發器22所接收的CANH和CANL電壓信號轉換成電邏輯位元，電邏輯位元被發送到發送光學子組件26，且信號轉換器24將從接收光學子組件28所接收的電邏輯位元轉換成CANH和CANL電壓信號，CANH和CANL電壓信號被發送到CAN控制器/收發器22。
圖4A和圖4B中所描述的信號轉換器24包括以下電性部件：(a)第一放大器40，其具有分別連接到CAN控制器/收發器22的CANH和CANL端子的差分輸入端子且具有一輸出端子；(b)OR閘48，其具有第一和第二輸入端子以及輸出端子；(c)第一AND閘42，其具有連接到第一放大器40的輸出端子的第一輸入端子、被配置且連接以從OR閘48的輸出端子接收反向位元的第二輸入端子、以及連接到發送光學子組件26的輸出端子；(d)第二AND閘44，其具有被連接以從第一AND閘42的輸出端子接收反向位元的第一輸入端子、連接到接收光學子組件28的第二輸入端子、以及連接到OR閘48的第一輸入端子的輸出端子；(e)第二放大器46，其具有連接到第二AND閘44的輸出端子的輸入端子、連接到CAN控制器/收發器22的CANH端子的第一輸出端子、以及被配置並連接 以將反向的電壓信號輸出到CAN控制器/收發器22的CANL端子的第二輸出端子；(f)移位暫存器50，其具有連接到第二AND閘44的輸出端子的輸入端子、以及連接到OR閘48的第二輸入端子的輸出端子。移位暫存器50對從第二AND閘44的輸出端子到第一AND閘42的第二輸入端子的內部迴路中的信號提供了傳播時間延遲。
圖4A和圖4B顯示根據一個實施例如何在光學域中實現電性CAN匯流排中的顯性/隱性位元行為。從節點輸出的隱性狀態意指不傳輸光脈衝。從節點輸出的顯性狀態意指傳輸光脈衝。由AND閘42所輸出的位元被反向並被反饋到AND閘44。然後，由AND閘44所輸出的位元透過OR閘48迴路反饋到AND閘42以封鎖被連接且配置以透過發送和接收光學子組件26、28而與CAN控制器/收發器22通信的其他CAN控制器/收發器(參見圖5)。來自具有不同數量的顯性狀態位元(即，光脈衝)的光學發送器的衝突類似於顯性CAN信號應該表現的行為，即，在CAN訊框開始時發送更多連續光脈衝的發送器贏得仲裁，且繼續發送其信息。
圖4A中所描繪的部件的組態可用以將多個CAN控制器/收發器連接至單一反射式光學星形件。圖5描繪了操作性地耦合到反射式光學星形件32的多個CAN控制器/收發器22a到22n(其中，n是等於三或更大的整數)。CAN控制器/收發器22a通過信號轉換器24a、發送光學子組件26a、接收光學子組件28a、以及具有分別光學耦合到發送和接收光學子組件26a、28a的兩個分支的光學Y形耦合器30a而操作性地耦合到反射式光學星形件32。CAN控制器/收發器22b通過信號轉換器24b、發送光學子組件26b、接收光學子組件28b、以及具有分別光學耦合到發送和接收光學子組件26b、28b的兩個分支的光學Y形耦合器30b而操作性地耦合到反射式光學星形件32。CAN控制器/收發器22n通過信號轉換器24n、發送光學子組件26n、接收光學子組件28n、以及具有分別光學耦合到發送和接 收光學子組件26n、28n的兩個分支的光學Y形耦合器30n而操作性地耦合到反射式光學星形件32。根據圖5所示的實施例，信號轉換器24a至24n中的每一個信號轉換器包括圖4中虛線矩形內部所示的部件。此外，光學Y形耦合器通過塑料光纖(圖5中的POF)光學耦合到發送和接收光學子組件和反射式光學星形件。
光纖是一種圓柱形介質波導，沿其軸線傳輸光。該光纖由透明纖殼(以下稱為“纖殼”)所包圍的透明纖核構成，兩者均由介電材料製成。藉由全內反射的現象將光留在纖核。為了將光信號限制在纖核中，纖核的折射率大於纖殼的折射率。纖核和纖殼之間的邊界可以是不連貫的，如步階式光纖，或者可以是漸變的，如漸變式光纖。本文揭露的實施例使用塑料光纖。塑料光纖具有大的傳輸容量、優越的抗電磁干擾噪聲性能、輕的重量、高的機械強度、以及傑出的柔韌性。與玻璃光纖相比，塑料光纖的直徑也較大。由於其直徑較大，塑料光纖比玻璃光纖具有更大的光纖失準容差。由於這種較大的失準容差，塑料光纖網路的維護和安裝成本較低。在航太平台中，塑料光纖還大大降低了航空電子網路中使用的連接器和收發器部件的成本。在替代實施例中，可以使用玻璃光纖取代塑料光纖。
根據本文揭露的實施例，反射式光學星形件32使用光學Y形耦合器30a至30n以每個CAN控制器/收發器僅通過一根塑料光纖(POF)的方式而操作性地耦合至CAN控制器/收發器22a至22n。因此，藉由使用反射式光學星形件32，CAN匯流排上的任何顯性信號(光脈衝)可以由發送者自己的接收器以及CAN匯流排上的所有其他接收器所看到，這將優先於所有隱性信號發送器。
圖6是表示根據一個實施例的光學Y形耦合器30的圖。光學Y形耦合器30包括三根塑料光纖52、54和56。雖然圖6並未描繪，塑料光纖52和54的端面52a和54a將接合到並光學耦合到塑料光纖56的端面56a。光學Y形耦合器30被設計成藉由內部反射來促進入射光的傳播。箭頭T指向圖6中的右側，表示通過 光學Y形耦合器30從左向右所傳播的光(例如，從發送光學子組件26到反射式光學星形件32)，而指向左邊的箭頭R表示從右向左所傳播的光(例如，從反射光學星形件32到與發送光學子組件26相關聯的接收光學子組件28)。光學Y形耦合器30致能CAN節點到反射式光學星形件32的單光纖連接。根據所提出的施行方式的一個示例，單一1mm直徑的塑料光纖(圖6中未示出)用於從每個光學Y形耦合器30的塑料光纖56到反射式光學星形件32的雙向資料傳輸，如圖5所示。類似地，由塑料光纖52和54形成的發送和接收分支光學地耦合到分別連接到發送和接收光學子組件26和28的相應的1mm直徑塑料光纖短截線，如圖5所示。
根據上述提出的施行方式，塑料光纖52、54和56每個都具有1mm的直徑，除了沿著塑料光纖52、54的相應端部區段的部分。塑料光纖52和54中的每一個分別包括端部區段，其中纖維材料已經被去除以形成相應的平面和相應的半圓形端面52a和54a。端部區段開始於塑料光纖52和54的圓形橫截面過渡到非圓形處且分別終止於半圓形端面52a和54a處。更具體地說，塑料光纖52的端部區段被成形以形成與端面52a相交並垂直的第一側面，而塑料光纖54的端部區段被成形以形成與端面54a相交並垂直的第二側面。這些側面接合到反射材料58(例如銀)的薄層的相對表面。反射材料58的薄層防止塑料光纖52和54的相應端部區段之間的串擾。塑料光纖52和54的半圓形端面52a和54a組合形成圓形端面，並藉由一層折射率匹配環氧樹脂(圖6中未示出)而光學耦合到塑料光纖56的圓形端面56a。該折射率匹配環氧樹脂消除了在半圓形端面54a處可能導致從發送光學子組件26到相同CAN節點的相關接收光學子組件28的串擾之背反射。
現在將參考圖7A至圖7C來描述根據一個提出的示例施行方式的POF束和反射式光學星形組件的構造。
圖7A是顯示以下部件的分解圖：包括由保護套64圍繞(除了圖7A中可見的原始端)的多個(在此示例中為七個)塑料光纖62的纖維束60；組 裝期間纖維束60的端部將插入其中的纖維束套管66；具有六邊形橫截面輪廓的光學混合棒68；以及組裝期間光學混合棒68將插入其中的混合棒套管70。光學混合棒66的第一端面65被拋光並且會光學耦合到七根塑料光纖64的端面；光學混合棒66的第二端面塗覆有形成一鏡67的反射材料的薄膜。
圖7B是具有圖7A中所描繪的部件的部分組裝的光纖束和反射式光學星形組件的等距視圖。纖維束60的端部(該端部包括塑料光纖64的原始端)被纖維束套管66包圍。接收塑料光纖64的原始端之纖維束套管66在纖維束套管66的軸向部分中具有漸縮的內表面，其約束塑料光纖64的原始端。光學混合棒68被混合棒套管70圍繞。圖7B顯示了纖維束套管66和混合棒套管70被一間距隔開。在最終的組裝中，纖維束套管66和混合棒套管70的端面將彼此鄰接，並且塑料光纖64的端面將被接合並且光耦合到光學混合棒66的端面65。
圖7C顯示根據在圖7A和圖7A中部分描繪的所提出的示例施行方式的完全組裝的光纖束和反射式光學星形組件的部件的等距視圖。在最後的組裝中，纖維束套管66和混合棒套管70的端面彼此鄰接。另外，塑料光纖64的端面藉由一層折射率匹配環氧樹脂(在圖7C中不可見)被接合且光學耦合到光學混合棒66的端面65。光學混合棒66的功能是混合從七根塑料光纖64中的任何一根所傳播的所有電磁模式，以便在鏡67反射之後，反射的電磁輻射將被均勻地分配到全部七根塑料光纖64。纖維束套管66和混合棒套管70接著由星形件外殼72包圍。
圖8是表示圖7C所描繪的完全組裝的光纖束和反射式光學星形組件的各種部件的幾何結構的圖。纖維束套管66和混合棒套管70的外徑是相等的。星形件外殼72是內徑大於套管外徑的圓筒。星形件外殼72設有用於在星形件外殼72和套管之間注入粘合劑的進入孔74。纖維束套管66包括分別具有相對較小和較大內徑的兩個圓柱形區段。具有相對較大內徑的圓柱形區段圍繞纖維 束60的夾套部分，而具有相對較小內徑的圓柱形區段圍繞塑料光纖64的原始端。在一個提出的施行方式中，塑料光纖64具有1mm的外徑。混合棒套管70的內徑由圖8中的虛線圓形所表示。光學混合棒66的橫截面輪廓由圖8中的虛線圓形內的虛線六邊形所表示。虛線六邊形內的七根塑料光纖64的端面的位置表示所有光纖都光學耦合到光學混合棒66的第一端面65的實際狀況。
根據提出的施行方式的一個示例，每個信號轉換器24(參見圖4A)電耦合到相應的光電介質轉換器。每個光電介質轉換器包括：相應的發送器，其具有雷射，用於將從相應的信號轉換器24所接收的電信號轉換為光信號，以發送到反射式光學星形件32的光學混合棒66；以及相應接收器，其具有光檢測器，用於將從光學混合棒66所接收的光信號轉換為電信號，以發送到相應的信號轉換器24。
適用於以上所揭露的應用的CAN節點部件可以從德州儀器公司(例如SN65HVD26x CAN收發器)購買獲得。
本文揭露的光學CAN匯流排使用單一光纖進行發送和接收，使用單一波長進行發送和接收，以及使用被動反射式光學星形件，以避免如主動星形件中的單點電子故障。根據一個提出的施行方式，單個1mm直徑的POF被用於藉由光學Y形耦合器從一個LRU到反射式光學星形件的雙向資料傳輸，該光學Y形耦合器也在光耦合到一對1mm直徑的POF短截線的發送和接收分支之間具有高隔離度。該組件提供了一個簡單的光纖匯流排，在被動反射式光學星形件和POF短截線之間沒有連接器，沒有接頭且沒有端子。所產生的光學CAN匯流排功能與選定的匯流排速度無關，並且與從反射式光學星形件到LRU內的CAN節點的距離無關。
本文揭露的光學CAN匯流排可用於任何移動平台(汽車、坦克、飛機、直升機、太空飛船等)或固定平台(工業機械等)，以消除EME並減少與 電性CAN匯流排的限制相關的重量、尺寸和製造時間。
儘管已經參照各種實施例描述了光網路系統，但是本領域技術人員將理解，可以做出各種改變並且可以用均等物替換其元件，而不偏離本文的教示。此外，可以進行許多修改以讓本文揭露的施行的相關概念和簡化適應特定情況。因此，所要求保護的標的係由申請專利範圍所涵蓋，而不受限於所揭露的實施例。
如在申請專利範圍中所使用的，術語「光學波導」包括被配置以將電磁輻射加以引導以傳播通過波導的下列類型的元件中的其中至少一個：光纖、光連接器、光學Y形耦合器和光學混合棒。
此外，執行“將差分電信號轉換為光脈衝”的功能(如申請專利範圍中所述)的相應結構(上文所揭露的)包括信號轉換器24和發送光學子組件26及其均等物；以及執行“將光脈衝轉換成差分電信號”的功能(如申請專利範圍中所述)的相應結構(上文所揭露的)包括信號轉換器24和接收光學子組件28及其均等物。
22a~22n‧‧‧CAN控制器/收發器
24a~24n‧‧‧信號轉換器
26a~26n‧‧‧發送光學子組件
28a~28n‧‧‧接收光學子組件
30a~30n‧‧‧光學Y形耦合器
32‧‧‧反射式光學星形件

Claims (12)

  1. 一種資料通信系統，其包括：電性操作的多個控制器區域網路節點；多個信號轉換器，其電耦合到所述多個控制器區域網路節點中的相應控制器區域網路節點，每個信號轉換器包括將差分信號轉換為數位信號且反之亦然的電路；多個發送光學子組件，其電耦合到所述多個信號轉換器中的相應的信號轉換器，每個發送光學子組件包括將來自相應的信號轉換器的數位信號轉換成光脈衝的相應的發送器；多個接收光學子組件，其電耦合到所述多個信號轉換器中的相應的信號轉換器，每個接收光學子組件包括將光脈衝轉換為數位信號的相應的接收器，所述數位信號被發送到相應的信號轉換器；以及光纖網路，其光學耦合到所述發送器和所述接收器，用於使所述多個控制器區域網路節點能夠彼此通信，其中所述光纖網路包括反射式光學星形件，其中，所述光纖網路進一步包括光學耦合到所述反射式光學星形件的多個光學Y形耦合器，每個光學Y形耦合器包括發送分支和接收分支，所述發送分支和所述接收分支分別光學耦合到與相應的信號轉換器相關聯的發送器和接收器，且其中，每個光學Y形耦合器的所述發送分支包括具有第一側面的第一光纖，每個光學Y形耦合器的所述接收分支包括具有面對所述第一側面的第二側面的第二光纖，並且每個光學Y形耦合器進一步包括設置在所述發送分支和所述接收分支的所述第一側面和所述第二側面之間的反射材料層。
  2. 根據請求項1所述的系統，其中，所述第一光纖具有第一端面，所述第二光纖具有第二端面，並且每個光學Y形耦合器進一步包括第三光纖， 所述第三光纖具有光學耦合到所述第一端面和所述第二端面的端面。
  3. 根據請求項1所述的系統，其中，每個光學Y形耦合器進一步包括設置在所述第一端面和所述第三端面之間且在所述第二端面和所述第三端面之間的一層折射率匹配環氧樹脂。
  4. 根據請求項1所述的系統，其中，所述反射式星形耦合器包括光學混合棒和設置在所述光學混合棒一端的鏡。
  5. 根據請求項1所述的系統，其中，所述多個控制器區域網路節點中的每一個包括相應的控制器區域網路控制器以及電耦合到相應的控制器區域網路控制器的相應的控制器區域網路收發器，所述控制器區域網路控制器被配置為使用逐位仲裁來通信，且其中，每個信號轉換器包括：第一放大器，其具有分別連接到相應的控制器區域網路收發器的CANH和CANL端子的差分輸入端子且具有輸出端子；OR閘，其具有第一輸入端子和第二輸入端子以及輸出端子；第一AND閘，其具有連接到所述第一放大器的輸出端子的第一輸入端子、被配置且連接以從所述OR閘的輸出端子接收反向位元的第二輸入端子、以及連接到相應的發送光學子組件的輸出端子；第二AND閘，其具有被連接以從所述第一AND閘的輸出端子接收反向位元的第一輸入端子、連接到相應的接收光學子組件的第二輸入端子、以及連接到所述OR閘的第一輸入端子的輸出端子；以及第二放大器，其具有連接到所述第二AND閘的輸出端子的輸入端子、連接到相應的控制器區域網路收發器的CANH端子的第一輸出端子、以及被配置並連接以將反向的電壓信號輸出到相應的控制器區域網路收發器的CANL端子的第二輸出端子。
  6. 根據請求項5所述的系統，進一步包括移位暫存器，其具有連接 到所述第二AND閘的輸出端子的輸入端子、以及連接到所述OR閘的第二輸入端子的輸出端子。
  7. 一種資料通信系統，其包括：多個電性裝置，被配置為發送和接收表示資料的電信號，其中每個電性裝置包括相應的控制器區域網路控制器以及相應的控制器區域網路收發器，相應的控制器區域網路控制器被配置為使用用以確定信息優先級的逐位仲裁來廣播信息，而相應的控制器區域網路收發器電耦合到相應的控制器區域網路控制器；多個信號轉換器，其電耦合到所述多個控制器區域網路收發器中的相應的控制器區域網路收發器，每個信號轉換器包括將差分信號轉換為數位信號且反之亦然的電路；多個發送光學子組件，其電耦合到所述多個信號轉換器中的相應的信號轉換器，每個發送光學子組件包括將來自相應的信號轉換器的數位信號轉換成光脈衝的相應的發送器；多個接收光學子組件，其電耦合到所述多個信號轉換器中的相應的信號轉換器，每個接收光學子組件包括將光脈衝轉換為數位信號的相應的接收器，所述數位信號被發送到相應的信號轉換器；以及光纖網路，其光學耦合到所述發送器和所述接收器，用於使所述多個控制器區域網路節點能夠彼此通信，其中所述光纖網路包括反射式光學星形件，其中，所述光纖網路進一步包括光學耦合到所述反射式光學星形件的多個光學Y形耦合器，每個光學Y形耦合器包括發送分支和接收分支，所述發送分支和所述接收分支分別光學耦合到與相應的信號轉換器相關聯的發送器和接收器，且其中，每個光學Y形耦合器的所述發送分支包括具有第一側面的第一光纖， 每個光學Y形耦合器的所述接收分支包括具有面對所述第一側面的第二側面的第二光纖，並且每個光學Y形耦合器進一步包括設置在所述發送分支和所述接收分支的所述第一側面和所述第二側面之間的反射材料層。
  8. 根據請求項7所述的系統，其中，所述反射式星形耦合器包括光學混合棒和設置在所述光學混合棒一端的鏡，且其中，所述多個電性裝置中的每一個是相應的現場可更換單元。
  9. 一種資料通信系統，其包括：多個電性裝置，被配置為發送和接收表示資料的電信號，其中每個電性裝置包括相應的控制器區域網路控制器以及相應的控制器區域網路收發器，相應的控制器區域網路控制器被配置為使用用以確定信息優先級的逐位仲裁來廣播信息，而相應的控制器區域網路收發器電耦合到相應的控制器區域網路控制器；用於將差分電信號轉換成光脈衝的裝置；用於將光脈衝轉換成差分電信號的裝置；以及光纖網路，其包括反射式光學星形件和多個光學波導，所述光學波導將所述反射式光學星形件光學耦合到所述用於將差分電信號轉換成光脈衝的裝置以及所述用於將光脈衝轉換成差分電信號的裝置，其中，所述多個光學波導進一步包括光學耦合到所述反射式光學星形件的多個光學Y形耦合器，每個光學Y形耦合器包括發送分支和接收分支，所述發送分支和所述接收分支分別光學耦合到與相應的用於將差分電信號轉換成光脈衝的裝置相關聯的發送器和與相應的用於將光脈衝轉換成差分電信號的裝置相關聯的接收器，且其中，每個光學Y形耦合器的所述發送分支包括具有第一側面的第一光纖，每個光學Y形耦合器的所述接收分支包括具有面對所述第一側面的第二側 面的第二光纖，並且每個光學Y形耦合器進一步包括設置在所述發送分支和所述接收分支的所述第一側面和所述第二側面之間的反射材料層。
  10. 根據請求項9所述的系統，其中，所述反射式星形耦合器包括光學混合棒和設置在所述光學混合棒一端的鏡。
  11. 根據請求項9所述的系統，其中，所述多個電性裝置中的每一個是相應的現場可更換單元。
  12. 一種用於在多個節點之間的控制器區域網路通信的方法，其包括：從所述多個節點中的一個節點廣播信息，所述信息包括表示依據通信協定的位元序列的發送差分電信號，所述通信協定使用回應於衝突偵測的逐位仲裁；將所述發送差分電信號轉換成光脈衝；引導所述光脈衝朝向並進入反射式光學星形件；將所述反射式光學星形件內的所述光脈衝加以反射；引導反射的光脈衝朝向所述多個節點；將反射的光脈衝轉換成接收差分電信號；以及在每個節點處接收所述接收差分電信號，其中，所述反射式光學星形件耦合到多個光學Y形耦合器，每個光學Y形耦合器包括發送分支和接收分支，且其中，每個光學Y形耦合器的所述發送分支包括具有第一側面的第一光纖，每個光學Y形耦合器的所述接收分支包括具有面對所述第一側面的第二側面的第二光纖，並且每個光學Y形耦合器進一步包括設置在所述發送分支和所述接收分支的所述第一側面和所述第二側面之間的反射材料層。
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