專利名稱：一種光纖can總線自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種光纖CAN總線的接口裝置，特別是一種光纖CAN總線環(huán)網(wǎng)的接口裝置，具體地是一種光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置。
背景技術(shù)：
CAN(Controller Area Network)總線是德國Bosch公司80年代初為解決汽車中眾多數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。由于其卓越的特性，CAN總線成為目前公認的幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纖和同軸電纜。當工作環(huán)境特別復(fù)雜時，為提高CAN網(wǎng)的抗干擾性能力和性能，采用光纖作傳輸介質(zhì)。光纖CAN網(wǎng)作為一種工業(yè)底層控制局域網(wǎng)，其拓撲結(jié)構(gòu)與常用局域網(wǎng)一樣，基本拓撲結(jié)構(gòu)有總線形、環(huán)形和星形。在光纖CAN單環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點或鏈路的故障可能造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為提高光纖CAN環(huán)網(wǎng)的生存性，提供一種具有自愈功能的光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，以克服上述的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明由多個CAN控制器構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)，其特點是在每個CAN控制器與光纖環(huán)路之間安置一個基于可編程邏輯器件(CPLD)的光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口電路；上述光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口電路由一片Altera公司出產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發(fā)送器LEDR、LEDL，兩個光接收器PINR、PINL，一個有源石英晶體振蕩器PXO-660構(gòu)成，其中CPLD與CAN控制器收發(fā)端RX和TX連接，CPLD還通過光電轉(zhuǎn)換模塊PIN、LED與光纖環(huán)路相連接，有源石英晶體振蕩器與CPLD的clk0端相連接；上述光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口電路上還連接有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl和接收狀態(tài)發(fā)光二極管D_rx。
本發(fā)明的功能是(1)當光纖雙環(huán)通信正常時，各發(fā)送器選擇對側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送。(2)當單根光纖故障時，下游節(jié)點接口電路實現(xiàn)環(huán)回，下游節(jié)點光發(fā)送器選擇同側(cè)光接收器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(3)當任意節(jié)點間兩根光纖故障時，則與光纖切斷點相連的兩個節(jié)點執(zhí)行環(huán)回功能。兩節(jié)點光發(fā)送器均選擇同側(cè)光接收器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。這種自愈功能保證在故障情況下，仍能維持環(huán)網(wǎng)的連續(xù)性。故障排除后，倒換開關(guān)自動返回原來位置。(4)實現(xiàn)節(jié)點CAN控制器數(shù)據(jù)選擇接收，其原則為對于各節(jié)點接收的順、逆時針兩通道數(shù)據(jù)，選擇優(yōu)先到達的通道數(shù)據(jù)接收。(5)實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)選擇發(fā)送，其原則為對于CAN網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(發(fā)送節(jié)點)，選擇本節(jié)點CAN控制器發(fā)送端(TX)的數(shù)據(jù)發(fā)送，可消除環(huán)形光纖CAN總線網(wǎng)絡(luò)的自激現(xiàn)象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞；對于CAN網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點(接收節(jié)點)，網(wǎng)絡(luò)工作正常時，選擇對側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送；對于CAN網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點(接收節(jié)點)，網(wǎng)絡(luò)中對側(cè)光纖通道故障，則選擇同側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送。(6)判別各通道幀起始和幀結(jié)束，鑒別總線是否空閑，網(wǎng)絡(luò)是否故障。如當判斷左側(cè)光接收器PINL有數(shù)據(jù)幀正在傳送時，產(chǎn)生左側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)標志flag_l和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)標志sync_l，分別表示總線忙和網(wǎng)絡(luò)工作正常。
本發(fā)明實現(xiàn)光纖CAN總線自愈功能，使用CPLD的自愈控制接口，可組建光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)，它將提高光纖CAN總線網(wǎng)絡(luò)的生存性。接口電路單片化，將大大簡化電路、提高了電路的可靠性。由于使用CPLD器件，將為接口電路的修改、調(diào)試和更新?lián)Q代提供了方便。


圖1為光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2為自愈工作策略示意圖。
圖3為CPLD自愈控制接口裝置的I/O口示意圖。
圖4為基于CPLD環(huán)網(wǎng)自愈控制接口裝置結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的描述，但下述實施例不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是實現(xiàn)上述功能控制環(huán)網(wǎng)自愈接口電路的選用美國Altera公司CPLD器件EPM7128SLC84-15，用MAX+plusII開發(fā)軟件進行設(shè)計。CPLD自愈控制接口單元由四部分組成分頻器、中心狀態(tài)機、發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器、接收數(shù)據(jù)選擇器組成。采用CPLD與節(jié)點CAN控制器收發(fā)端RX和TX連接，CPLD同時通過PIN和LED與光纖環(huán)路相連接。整個自愈控制接口裝置時鐘由有源石英晶體振蕩器PXO-660提供，其振蕩頻率為20MHz。
如圖1為光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，該網(wǎng)絡(luò)有兩條光纖環(huán)路——順時針環(huán)和逆時針環(huán)，各節(jié)點CAN控制器通過自愈控制接口與雙環(huán)光纖網(wǎng)相連，自愈控制接口由Altera公司出產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發(fā)送器LEDR、LEDL，兩個光接收器PINR、PINL組成。
如圖2所示，光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)控制接口裝置的自愈策略是(1)當光纖雙環(huán)通信正常時，如圖2(a)所示，各節(jié)點右端光發(fā)送器LEDR傳送左端光接收器PINL的數(shù)據(jù)，信號順時針傳送；同理LEDL傳送PINR的數(shù)據(jù)，信號逆時針傳送，即發(fā)送器選擇對側(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(2)當單根光纖故障時，如圖2(b)，下游C節(jié)點自愈控制接口實現(xiàn)環(huán)回，由于左側(cè)光接收器PINL無信號，右端光發(fā)送器LEDR選擇同側(cè)光接收器PINR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(3)當任意節(jié)點間兩根光纖故障時，如圖2(c)，如BC節(jié)點間光纖被切斷時；則B、C兩個與光纖切斷點相連的兩個節(jié)點自愈控制接口執(zhí)行環(huán)回功能；此時，從A到C的信號AC則先經(jīng)順時針環(huán)到B，再經(jīng)逆時針環(huán)過A、D到達C；而信號CA則仍經(jīng)順時針環(huán)傳輸；在故障情況下，自愈控制接口保證光纖CAN環(huán)網(wǎng)的連續(xù)性；故障排除后，倒換開關(guān)自動返回原來位置。
如圖3所示，自愈控制接口裝置的I/O口的連接關(guān)系為CPLD輸入輸出引腳pin_l、led_l、led_r、pin_r分別與光電轉(zhuǎn)換模塊PINL、LEDL、LEDR、PINR相連；CPLD的輸出輸入引腳txd、rxd分別與CAN控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送端TX、接收端RX相連；CPLD的輸出引腳flag_txd＝1代表本節(jié)點CAN控制器TX0正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀；輸出引腳flag_l＝1代表左側(cè)通道正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀；輸出引腳flag_r＝1代表右側(cè)通道正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀。輸出引腳sync_l為左側(cè)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)標志，輸出引腳sync_r為右側(cè)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)標志。當左通道正常時，輸出引腳sync_l＝“1”，驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sl亮；當右通道正常時，輸出引腳sync_r＝“1”，驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr亮；若網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr或D_sl滅，表示網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)光纖通道出了故障。當本節(jié)點CAN控制器選擇左通道數(shù)據(jù)接收時，接收狀態(tài)標志引腳rx_l/r為高電平，當本節(jié)點CAN控制器選擇右通道數(shù)據(jù)接收時，接收狀態(tài)標志引腳rx_l/r為低電平。輸入引腳reset為復(fù)位端，低電平有效；clk0為時鐘輸入引腳，該引腳與有源晶振輸出端相連，有源晶振的時鐘頻率為20MHz。
如圖4所示，控制環(huán)網(wǎng)自愈控制接口裝置中的CPLD由分頻器、中心狀態(tài)機、發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器、接收數(shù)據(jù)選擇器四個模塊組成。
分頻器的功能為將CPLD輸入20MHz時鐘頻率變換為1MHz時鐘頻率。這是因為在光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)中，各節(jié)點CAN控制器和CPLD接口采用獨立的工作時鐘。為使狀態(tài)機產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)flag轉(zhuǎn)變、兩個數(shù)據(jù)選擇器切換與CAN控制器數(shù)據(jù)傳送同步，應(yīng)正確選擇狀態(tài)機的時鐘。由于CAN網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送波特率是125Kbit/s，狀態(tài)機時鐘rxclk速率設(shè)計為數(shù)據(jù)傳送波特率的8倍即1M。這樣不但實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送的同步，還能在一個位周期中對數(shù)據(jù)多次讀取，以提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。
中心狀態(tài)機功能是(1)檢測CAN數(shù)據(jù)幀的幀起始和幀結(jié)束，產(chǎn)生相應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)標志信號flag_txd、flag_r和flag_l。依據(jù)CAN 2.0B協(xié)議，CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成即幀起始，仲裁場，控制場，數(shù)據(jù)場，CRC場，應(yīng)答場，幀結(jié)束。數(shù)據(jù)場長度可為0-8個字節(jié)。幀起始位是一個顯性位低電平‘0’；幀結(jié)束由7個隱性位‘1'組成的序列。(2)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)標志sync_r和sync_l。中心狀態(tài)機由三個狀態(tài)機組成本節(jié)點CAN控制器狀態(tài)機、左通道狀態(tài)機和右通道狀態(tài)機。它們分別判別各通道(TX、PIN_L和PIN_R)是否有數(shù)據(jù)傳送。下面各處狀態(tài)機的解釋均以本節(jié)點CAN控制器狀態(tài)機為例。
在各狀態(tài)機中，當總線空閑時，狀態(tài)機處于空閑態(tài)idle，若rxclk上沿到來，檢測到txd＝0時，狀態(tài)機將發(fā)送數(shù)據(jù)標志置位flag_txd＝“1”；并在rxclk第五上沿到來時，對txd數(shù)據(jù)再次讀取，若txd＝“0”條件仍成立，表示真實的幀起始到來；否則flag_txd＝“0”，同時狀態(tài)機轉(zhuǎn)向空閑態(tài)idle，等待幀起始的到來。當真實的幀起始到來后，rxclk(1M)每過8個時鐘周期，對CAN總線上的數(shù)據(jù)位進行檢測，保證每次檢測在數(shù)據(jù)位(位周期)中央。當連續(xù)7次對txd檢測到“1”，表示真實的“幀結(jié)束”到來，發(fā)送數(shù)據(jù)標志復(fù)位flag_txd＝“0”，等待下一次幀起始的到來。否則狀態(tài)機處于幀結(jié)束判斷狀態(tài)。
網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)sync_r、sync_l時進行環(huán)網(wǎng)自愈的重要依據(jù)。如上所述，當左右通道發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)標志flag＝“1”時，各通道網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)sync＝“1”，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl亮；當幀結(jié)束到來flag＝“0”時，啟動網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)計數(shù)器count，其時鐘為rxclk＝1MHz，當計數(shù)器為30000(30ms)時，sync＝“0”，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl滅，表示持續(xù)檢測不到數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)絡(luò)故障。如果在30ms內(nèi)能檢測到數(shù)據(jù)幀起始(flag置位)，網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)標志持續(xù)sync＝“1”。計數(shù)器count滿值為估算的幀間最短時間間隔。
發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器和接收數(shù)據(jù)選擇器的功能是實現(xiàn)鏈路搭建(即通道選擇)。為使鏈路搭建時間盡可能短，使用最高頻率時鐘(20MHz)控制兩個數(shù)據(jù)選擇器。
在發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器中，輸入數(shù)據(jù)通道為3路txd、pin_l和pin_r。各通道數(shù)據(jù)具有不同優(yōu)先級。優(yōu)先級設(shè)置為當本節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)(txd＝“0”或flag_txd＝“1”)，光纖雙環(huán)中發(fā)送該TX端的數(shù)據(jù)，即led_r＝txd，led_l＝txd。若本節(jié)點不發(fā)送數(shù)據(jù)，則依據(jù)sync_r和sync_l選擇發(fā)送數(shù)據(jù)，當左右通道均正常時，選擇對側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送，led_r＝pin_l，led_l＝pin_r；如果某通道故障，接收不到對側(cè)數(shù)據(jù)，則選擇本側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送，led_l＝pin_l，led_r＝pin_r。據(jù)此不僅實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)自愈，也消除了環(huán)網(wǎng)阻塞問題。
在接收數(shù)據(jù)選擇器中，設(shè)定左通道為首選接收通道；當左通道數(shù)據(jù)未到時flag_l＝“0”或左通道故障時，不需人為干預(yù)自動選擇右通道接收。據(jù)此實現(xiàn)接收優(yōu)化(選擇優(yōu)先到達通道數(shù)據(jù)接收)，以及光纖CAN總線雙環(huán)網(wǎng)的自愈功能。當接收節(jié)點CAN控制器選擇左通道接收時，接收狀態(tài)發(fā)光二極管D_rx發(fā)光，否則D_rx滅。
本發(fā)明經(jīng)測試證實，光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)正常時，各通道均有數(shù)據(jù)傳送，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl持續(xù)發(fā)光；當設(shè)置單通道故障時，下游節(jié)點自愈控制接口裝置內(nèi)部實現(xiàn)環(huán)回，選擇同側(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；當設(shè)置雙通道故障時，與故障點相連兩節(jié)點的自愈控制接口裝置均實現(xiàn)環(huán)回。由CPLD自愈控制接口裝置構(gòu)成的光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)具有很高的生存性。
本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容為本專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，由多個CAN控制器構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)，其特征在于在每個CAN控制器與光纖環(huán)路之間安置一個基于可編程邏輯器件(CPLD)的光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，其特征在于光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置由一片Altera公司出產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發(fā)送器LEDR、LEDL，兩個光接收器PINR、PINL，一個有源石英晶體振蕩器PXO-660構(gòu)成，其中CPLD與CAN控制器連接，CPLD還通過光電轉(zhuǎn)換模塊PIN、LED與光纖環(huán)路相連接，有源石英晶體振蕩器與CPLD的clk0端相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，其特征在于光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置中還有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl和接收狀態(tài)發(fā)光二極管D_rx。
4.如權(quán)利要求1或2所述的光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，其特征在于CPLD中包括分頻器、中心狀態(tài)機、數(shù)據(jù)發(fā)送選擇器、數(shù)據(jù)接收選擇器四個模塊，其中分頻器的輸入端與有源石英晶體振蕩器連接，其輸出給中心狀態(tài)機提供振蕩源；中心狀態(tài)機接收CAN控制器的txd信號、并通過光電轉(zhuǎn)換模塊PIN接收光纖網(wǎng)絡(luò)的信號，發(fā)送信號給數(shù)據(jù)發(fā)送選擇器和數(shù)據(jù)接收選擇器；數(shù)據(jù)發(fā)送選擇器還通過光電轉(zhuǎn)換模塊PIN接收光纖網(wǎng)絡(luò)的信號，輸出信號給電光轉(zhuǎn)換模塊LED；數(shù)據(jù)接收選擇器還通過光電轉(zhuǎn)換模塊PIN接收光纖網(wǎng)絡(luò)的信號，其輸出與CAN控制器的rxd端相連接。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，其特征在于利用分頻器將CPLD輸入20MHz時鐘頻率變換為1MHz時鐘頻率，供中心狀態(tài)機使用。
6.如權(quán)利要求4所述的光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，其特征在于中心狀態(tài)機模塊實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀“幀起始”和“幀結(jié)束”判別，以次實現(xiàn)3通道發(fā)送數(shù)據(jù)標志flag_txd、flag_r和flag_l的復(fù)位和置位，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)信號sync_r、sync_l，它們是數(shù)據(jù)選擇器進行環(huán)網(wǎng)自愈的重要依據(jù)。
7.如權(quán)利要求4所述的光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，其特征在于在發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器中，依據(jù)flag_txd、sync_r和sync_l選擇發(fā)送數(shù)據(jù)，當flag_txd＝“1”時，選擇txd端的數(shù)據(jù)發(fā)送；當flag_txd＝“1”、sync_r和sync_l＝“1”時，選擇對側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送，led_r＝pin_l，led_l＝pin_r；如果某通道故障，接收不到對側(cè)數(shù)據(jù)，則選擇本側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送，led_l＝pin_l，led_r＝pin_r。據(jù)此實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)自愈和環(huán)網(wǎng)阻塞問題。
8.如權(quán)利要求4所述的光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，其特征在于在接收數(shù)據(jù)選擇器中，依據(jù)flag_l和flag_r選擇接收通道；選flag_l和flag_r中先為零者的通道進行接收，據(jù)此實現(xiàn)接收優(yōu)化(選擇優(yōu)先到達通道數(shù)據(jù)接收)，以及光纖CAN總線雙環(huán)網(wǎng)的自愈功能。當接收節(jié)點CAN控制器選擇左通道接收時，接收狀態(tài)發(fā)光二極管D_rx發(fā)光，否則D_rx滅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖CAN總線自愈環(huán)網(wǎng)接口裝置，它包括一片Altera公司出產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128S、兩個光發(fā)送器LEDR、LEDL，兩個光接收器PINR、PINL，一個有源石英晶體振蕩器PXO－660，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)光二極管D_sr、D_sl，接收狀態(tài)發(fā)光二極管D_rx組成，其中CPLD與CAN控制器連接，CPLD還通過光電轉(zhuǎn)換模塊PIN、LED與光纖環(huán)路相連接。利用本發(fā)明和相關(guān)光纖CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可組建光纖CAN自愈環(huán)網(wǎng)。本發(fā)明顯著提高了光纖CAN環(huán)網(wǎng)的生存性。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、便于修改和維護的特點。
文檔編號B60R16/02GK1557657SQ20041001266
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月15日
發(fā)明者吳友宇, 程昌銀, 楊菊芳, 李斌, 秦神祖 申請人:武漢理工大學(xué)