用于本安防爆领域的CAN信号传输装置的制作方法

本专利申请涉及CAN通信技术领域，特别是涉及用于本安防爆领域的CAN信号传输装置。

背景技术：

通过CAN总线连接所述第一CAN信号收发器的终端，是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有较高的位速率，高抗干扰型，而且能够检测出产生的任何错误。信号传输距离达到10Km时，仍然可提供高达5Kbps的数据传输速率。由于CAN串行通讯总线具有这些特性，它很自然的在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。

CAN分为数据链路层和物理层，其中数据链路层分为MAC子层和LLC子层，链路层的功能是将物理层收的信号组织成有意义的消息，并提供传送错误控制等传输控制流程。具体地说，就是消息的帧化、仲裁、应答、错误的检测或报告。数据链路层的功能通常在CAN控制器的硬件中执行。

物理层定义了信号实际的发送方式、位时序、位的编码方式及同步的步骤。但具体地说，信号电平、通讯速度、采样点、驱动器和总线的电气特性、连接器的形态等均未定义。这些必须由用户根据系统，这些功能一般由CAN收发器实现。

目前，一个CAN系统主要由以下几部分组成通过CAN总线连接所述第一CAN信号收发器的终端、CAN收发器、CAN控制器及执行元件(传感器)等。

若CAN系统要应用于本质安全(简称本安)防爆领域，则需要经过各种安全设计，以避免流入安全区的非安全信号进入危险区而引发危险等问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供用于本安防爆领域的CAN信号传输装置，解决现有技术的问题，提升用于本安防爆领域的CAN信号传输的安全性。

为实现上述目的及其他相关目的，本专利申请提供一种用于本安防爆领域的CAN信号传输装置，包括：至少一第一CAN信号传输线路部分，其包括：用于连接危险区外部设备的第一CAN信号收发器、以及连接在所述第一CAN信号收发器和危险区外部设备之间的限能保护模块；所述第一CAN信号收发器包括：第一RXD端和第一TXD端；至少一第二CAN信号传输线路部分，包括：用于连接安全区外部设备的第二CAN信号收发器；所述第二CAN信号收发器其包括：第二RXD端和第二TXD端；第一隔离传输器件，其发送侧和接收侧分别通信连接所述第一RXD端和第二TXD端；第二隔离传输器件，其发送侧和接收侧分别通信连接所述第二RXD端和第一TXD端。

于本专利申请的一实施例中，所述限能保护模块包括：相连的本安限能模块和EMC抗干扰模块。

于本专利申请的一实施例中，所述本安限能模块连接危险区外部设备，所述EMC抗干扰模块连接所述本安限能模块，所述EMC抗干扰模块连接所述第一CAN信号收发器。

于本专利申请的一实施例中，所述限能保护模块包括：供连接危险区外部设备的第一CANH信号端和第一CANL信号端；以及供连接第一CAN信号收发器的第二CANH信号端和及第二CANL信号端。

于本专利申请的一实施例中，所述本安限能模块包括：第一电阻，一端连接于所述第一CANH信号端，其另一端连接至所述第二CANH信号端；第二电阻，一端连接于所述第一CANL信号端，其另一端连接至所述第二CANL信号端；至少两条支路，连接在所述第二CANH信号端和第二CANL信号端之间；每条所述支路包括：两个稳压二极管；所述两个稳压二极管的阴极相连，所述两个稳压二极管的阳极分别连接至所述第一电阻的另一端和第二电阻的另一端。

于本专利申请的一实施例中，所述EMC抗干扰模块包括：连接在所述第二CANH信号端和第二CANL信号端之间的至少一条第一支路、及至少一条第二支路；所述第一支路包括：第一二极管和第二二极管，阴极相连且阳极分别连接至所述第二CANH信号端和第二CANL信号端；所述第一二极管和第二二极管的阴极连接至一第一公共端；所述第二支路包括：第三二极管和第四二极管，阳极相连且阴极分别连接至所述第二CANH信号端和第二CANL信号端；所述第三二极管和第四二极管的阳极连接至一第二公共端；TVS管，其两端分别连接至所述第一公共端及第二公共端；第五二极管，其阴极连接所述第一公共端，其阳极接地；第六二极管，其阳极连接所述第二公共端，其阴极接地。

于本专利申请的一实施例中，所述危险区外部设备包括：通过CAN总线连接所述第一CAN信号收发器的终端；所述安全区外部设备包括：CAN控制器。

于本专利申请的一实施例中，所述的CAN信号传输装置，包括：第一CAN信号控制电路，包括：第一开关器件及第一逻辑器件；所述第一开关器件，其具有第一连接端、第二连接端、及用于控制所述第一连接端和第二连接端通断的第一控制端；所述第一连接端连接所述第一RXD端，所述第二连接端连接所述第一隔离传输器件的发送侧，所述第一TXD端通信连接于所述第一控制端；第二CAN信号控制电路，包括：第二开关器件及第二逻辑器件；所述第二开关器件，其具有第三连接端、第四连接端、及用于控制所述第三连接端和第四连接端通断的第二控制端；所述第三连接端连接所述第二RXD端，所述第四连接端连接所述第二隔离传输器件的发送侧，所述第二TXD端通信连接于所述第二控制端。

于本专利申请的一实施例中，所述第一TXD端经一两级串联的反向器连接于第一控制端；所述第二TXD端经一两级串联的反向器连接于第二控制端。

于本专利申请的一实施例中，所述第一隔离传输器件和/或第二隔离传输器件包括：磁耦合传输器件、光耦合传输器件或光纤。

如上所述，本专利申请提供一种用于本安防爆领域的CAN信号传输装置，包括：至少一第一CAN信号传输线路部分，其包括：用于连接危险区外部设备的第一CAN信号收发器、以及连接在所述第一CAN信号收发器和危险区外部设备之间的限能保护模块；所述第一CAN信号收发器包括：第一RXD端和第一TXD端；至少一第二CAN信号传输线路部分，包括：用于连接安全区外部设备的第二CAN信号收发器；所述第二CAN信号收发器其包括：第二RXD端和第二TXD端；第一隔离传输器件，其发送侧和接收侧分别通信连接所述第一RXD端和第二TXD端；第二隔离传输器件，其发送侧和接收侧分别通信连接所述第二RXD端和第一TXD端，实现CAN信号在物理层的双向隔离传输，同时满足本安防爆要求。

附图说明

图1显示为本专利申请于一实施例中CAN信号传输装置的电路模块示意图。

图2显示为本专利申请于一实施例中的限能保护模块的电路原理示意图

图3显示为本专利申请于一实施例中CAN信号传输装置的电路原理示意图。

元件标号说明

11 第一CAN信号传输线路部分

111 第一CAN信号收发器

112 限能保护模块

113 第一CAN信号控制电路

12 第二CAN信号传输线路部分

121 第二CAN信号收发器

122 第二CAN信号控制电路

13 第一隔离传输器件

14 第二隔离传输器件

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本专利申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利申请的其他优点与功效。本专利申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利申请的基本构想，遂图式中仅显示与本专利申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，为了将CAN信号传输应用于本安防爆领域，提高信号传输速率，减少接线成本等，本专利申请提供一种用于本安防爆领域的CAN信号传输装置，包括：至少一第一CAN信号传输线路部分11、至少一第二CAN信号传输线路部分12、第一隔离传输器件13、及第二隔离传输器件14。

所述第一CAN信号传输线路部分11，其包括：用于连接危险区外部设备的第一CAN信号收发器111、以及连接在所述第一CAN信号收发器111和危险区外部设备之间的限能保护模块112；所述第一CAN信号收发器111包括：第一RXD端和第一TXD端。

所述第二CAN信号传输线路部分12，其包括：第二RXD端和第二TXD端；所述第二CAN信号传输线路部分12包括：第二CAN信号收发器121；所述第二CAN信号收发器121包括：第二RXD端和第二TXD端。

所述第一隔离传输器件13，其发送侧和接收侧分别通信连接所述第一RXD端和第二TXD端，以用于连通形成第一传输通道来传递第一RXD端向第二TXD端发送的信号。

所述第二隔离传输器件14，其发送侧和接收侧分别通信连接所述第二RXD端和第一TXD端，以用于连通形成第二传输通道来传递第二RXD端向第一TXD端发送的信号。

于一实施例中，所述第一隔离传输器件13和第二隔离传输器件14可以是磁耦合传输器件、光耦合传输器件或光纤中的任何一种，于图3的实施例中，采用的是光耦合传输的方式。

于一实施例中，所述的CAN信号传输装置，还包括：第一CAN信号控制电路113和第二CAN信号控制电路122；第一CAN信号控制电路113连接在第一RXD端和第一隔离传输器件13之间，且其具有的一控制端连接所述第一TXD端；第二CAN信号控制电路122连接在第二RXD端和第二隔离传输器件14之间，且其具有的一控制端连接所述第二TXD端。

于本专利申请的一实施例中，所述限能保护模块112包括：相连的本安限能模块和EMC抗干扰模块；所述本安限能模块连接危险区外部设备，所述EMC抗干扰模块连接所述本安限能模块，所述EMC抗干扰模块连接所述第一CAN信号收发器111或第二CAN信号收发器121。

CAN信号在进入第一CAN信号收发器111前，首先经过本安限能模块，限制非本安的电压、电流和能量，避免非本安侧的能量进入危险侧而引起爆炸；然后经过EMC抗干扰电路，此电路主要吸收EMC干扰，包括电快速脉冲群冲击、浪涌、静电等EMC干扰，从而提高通道的抗干扰能力。

当然，所述第二CAN信号收发器121向外的CANH信号端和CANL信号端也可以连接一所述限能保护模块，以使得两端都能够接危险区外部设备，通用性好且可防止接反；优选的，所述第二CAN信号收发器121向外的CANH信号端和CANL信号端也可以连接一EMC抗干扰模块，以过滤信号干扰。

举例说明本专利申请装置的CAN信号传输过程：

第一CAN信号收发器111监控CAN总线的CAN信号，CAN信号经过限能保护模块112的保护后，进入第一CAN信号收发器111，将模拟总线信号转换成相应的数字位流，由第一RXD端发送CAN数据帧，通过第一隔离传输器件13传输到安全区的第二CAN信号收发器121的第二TXD端，第二CAN信号收发器121将收到危险区发送的CAN数据帧，发送给后端的CAN控制器。

具体的，CAN数据帧由帧起始(Start of)、仲裁域(Arbitration Field)、控制域控制域(Control Field)、数据域(DataField)、CRC域(CRC Field)、应答域(ACK Field)和帧结尾(End of)组成。其中应答域为接收确认机制，用于保证至少一个接收方正确接收；发送方发送CAN信号中包含1位隐性位(“1”)；任何接收方接收到数据，则向发送方发送1位显性位(“0”)以示应答，“0”会把“1”覆盖；发送方在发送的同时，也会接收，等发送方在所接收CAN信号的应答域检测到1位显性位“0”，则发送方认为此帧发送正确。

因此，CAN控制器收到该CAN数据帧之后，回复包含一位显性位“0”信号(ACK)以示接收成功，第二CAN信号收发器121通过其第二RXD端发送这一ACK信号，并通过第二隔离传输器件14传输到第一CAN信号收发器111，其第一TXD端接收这一ACK信号，转换成相应的模拟总线信号，并通过第一CAN信号控制电路113将该ACK信号中的这一显性位强制转换为隐性位，确保第一CAN信号收发器111所发送的发送帧的应答域包含隐性位；从而成功实现CAN信号在物理层的双向隔离传输，同时满足本安防爆要求。

如图2所示，展示所述限能保护模块112的结构，该结构包括：供连接危险区外部设备的第一CANH信号端(右侧的CANH)和第一CANL信号端(右侧的CANL)；以及供连接第一CAN信号收发器111的第二CANH信号端(左侧的CANH)和及第二CANL信号端(左侧的CANL)。

所述本安限能模块包括：第一电阻R3，一端连接于所述第一CANH信号端，其另一端连接至所述第二CANH信号端；第二电阻R4，一端连接于所述第一CANL信号端，其另一端连接至所述第二CANL信号端；至少两条支路，连接在所述第二CANH信号端和第二CANL信号端之间；每条所述支路包括：两个稳压二极管Z1和Z2，或Z3和Z4；所述两个稳压二极管Z1和Z2，或Z3和Z4的阴极相连，所述两个稳压二极管的阳极分别连接至所述第一电阻R3的另一端和第二电阻R4的另一端。

所述EMC抗干扰模块包括：连接在所述第二CANH信号端和第二CANL信号端之间的至少一条第一支路、及至少一条第二支路；所述第一支路包括：第一二极管D1和第二二极管D3，阴极相连且阳极分别连接至所述第二CANH信号端和第二CANL信号端；所述第一二极管D1和第二二极管D3的阴极连接至一第一公共端；所述第二支路包括：第三二极管D2和第四二极管D4，阳极相连且阴极分别连接至所述第二CANH信号端和第二CANL信号端；所述第三二极管D2和第四二极管D4的阳极连接至一第二公共端；TVS管TVS1，其两端分别连接至所述第一公共端及第二公共端；第五二极管D5，其阴极连接所述第一公共端，其阳极接地；第六二极管D6，其阳极连接所述第二公共端，其阴极接地。

具体的，CAN信号在进入第一CAN信号收发器111前，先必须经过R3，R4、Z1、Z2、Z3、Z4组成的本安限能电路，本安限能模块通过特定的稳压管和电阻，来限制非本安的电压、电流和能量，避免非本安侧的能量进入危险侧，而引起爆炸。

具体的，CAN信号经过本安限能模块后，进入由D1，D2，D3，D4，D5，D6和TVS1组成的EMC抗干扰电路，此电路主要吸收EMC干扰，包括电快速脉冲群冲击、浪涌、静电等EMC干扰。

当一个EMC干扰(电压值超过TVS管的电压)串入回路，

1)为线对地干扰：若第二CANH信号端为正(即第二CANL信号端为负)，则干扰信号经过D3，TVS1和D6后回到地端，从而吸收干扰。若第二CANH信号端为负(即第二CANL信号端为正)，则干扰信号经过D2、TVS1和D5到地。

2)为线对线干扰：若第二CANH信号端为正(即第二CANL信号端为负)，则干扰信号经D3，TVS1和D4回到第二CANL信号端。如果第二CANH信号端为负(即第二CANL信号端为正)，干扰信号经D1、TVS1和D2回到第二CANH信号端.从而避免干扰信号串入后端短路。

另外，由于CANH和CANL之间等效电容是由D1、D2和TVS1三者等效电容并联而成，因此等效电容非常小，从而在吸收EMC的干扰的同时，保证CAN信号的正常传输。

请一并参阅图1及图3，以说明本专利申请的CAN信号控制装置的CAN信号传输原理：

具体的，U1为第一CAN信号收发器，其接脚6为第一CANH信号端，接脚7为第一CANL信号端，接脚4为第一RXD端连接第二隔离传输器件O1的接收侧(接脚6)，其接脚1为第一TXD端；所述第一CAN信号控制电路包括：第一开关器件U2及第一逻辑器件；所述第一开关器件U2，其具有第一连接端(接脚1)、第二连接端(接脚2)、及用于控制所述第一连接端和第二连接端通断的第一控制端(接脚4)；所述第一连接端(接脚1)连接所述第一RXD端，所述第二连接端(接脚2)连接所述第一隔离传输器件O2的发送侧(接脚3)，所述第一TXD端经R5连接所述第一逻辑器件的输入端(接脚2)，所述第一逻辑器件的输出端连接所述第一控制端。

U5为第二CAN信号收发器，其接脚6为第二CANL信号端，接脚7为第二CANH信号端，接脚4为第二RXD端，其接脚1为第二TXD端连接第一隔离传输器件O2的接收侧(接脚6)；所述第二CAN信号控制电路，包括：第二开关器件U6及第二逻辑器件(串联的两个反向器U7和U8)；所述第二开关器件U6，其具有第三连接端(接脚1)、第四连接端(接脚2)、及用于控制所述第三连接端和第四连接端通断的第二控制端(接脚4)；所述第三连接端(接脚1)连接所述第二RXD端(接脚4)，所述第四连接端(接脚2)连接所述第二隔离传输器件O1的发送侧(接脚3)，所述第一TXD端(接脚1)经电阻R12连接所述第二逻辑器件(由U7和U8组成)的输入端(接脚2)，所述第二逻辑器件的输出端连接所述第二控制端。

所述第一逻辑器件由串联的反向器U3和U4组成，所述第二逻辑器件由串联的反向器U7和U8组成，用于直通TXD信号且消除干扰，当然在其它实施例中也可以不需要所述第一逻辑器件和第二逻辑器件，并非以图3实施例为限；本专利申请是利用TXD端的信号来控制开关元件的开关状态。

由图中可知，CAN传输装置的电路完全对称，因此可以双向隔离传输CAN信号。

仅以一个方向传输通道为例进行传输原理分析，另一个方向传输原理相同。同时假定右侧的第一CAN信号收发器(U1)接入CAN总线，左侧的第二CAN信号收发器(U2)接入CAN控制器。

CAN信号隔离传送原理如下(数据传输方向为从右到左)：

U1监控CAN总线，将总线上的模拟信号转换成相应的数字位流，即CAN数据帧。由U1的第一RXD端发送，但是其数据发送受到U1的第一TXD端的信号和由U2、U3、U4组成的第一CAN控制电路控制；当U1的第一RXD端发送数据帧时，第一TXD端一直处于高电平，通过第一逻辑器件(U3和U4)(当然也可以直接接通)传递到U2的第一控制端，U2开关闭合，数据帧通过U1的第一RXD端正常发送，发送结束后，U1的第一RXD端被拉高，经过O2隔离传输到U5的第二TXD端，U5将数据帧发送给后端的CAN控制器，CAN控制器回复包含1位显性位的ACK，通过U5的第二RXD端发送。但此ACK的发送受到由U5的第二TXD端信号和U6、U7、U8组成的第二CAN控制电路控制；由于第一RXD端的数据帧发送结束后，U1的第一RXD端电平被拉高，因此O2的发光二极管不导通，令U5的TXD为高电平，经第二逻辑器件(U7和U8)(当然也可以直接接通)到U6的第二控制端，令U6开关闭合，所述包含1位显性位的ACK通过U5的第二RXD端经O1隔离传输到U1的第一TXD端，从而将1位显性位ACK转换为CAN总线上的模拟信号发送，显性位为“0”使U1的第一TXD端为低电平，传递到第一控制端令U2断开，阻止U1的第一RXD端发送显性位，避免总线瘫痪。

至此，一个CAN数据帧发送完成，成功实现CAN信号在物理层的双向隔离传输。

综上所述，本专利申请提供一种用于本安防爆领域的CAN信号传输装置，包括：至少一第一CAN信号传输线路部分，其包括：用于连接危险区外部设备的第一CAN信号收发器、以及连接在所述第一CAN信号收发器和危险区外部设备之间的限能保护模块；所述第一CAN信号收发器包括：第一RXD端和第一TXD端；至少一第二CAN信号传输线路部分，包括：用于连接安全区外部设备的第二CAN信号收发器；所述第二CAN信号收发器其包括：第二RXD端和第二TXD端；第一隔离传输器件，其发送侧和接收侧分别通信连接所述第一RXD端和第二TXD端；第二隔离传输器件，其发送侧和接收侧分别通信连接所述第二RXD端和第一TXD端，实现CAN信号在物理层的双向隔离传输，同时满足本安防爆要求。

上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利申请的权利要求所涵盖。