一种新型CAN光纤通信电路

一种新型can光纤通信电路
1.技术领域
2.本发明涉及一种新型can光纤通信电路，涉及设备之间用光纤代替双绞线进行can总线通信的控制系统，实现设备之间进行can总线—光纤通信—can总线的信号传输功能。
3.

背景技术：

4.can(controller area network)是iso国际标准化的串行通信协议，在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个lan，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的can通信协议。此后，can通过iso11898及iso11519进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。can的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。can控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。
5.光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。光纤通信技术应用的材料属于石英绝缘体物料，相比较于其他材料，石英绝缘体物料形成的损耗很小。就相关分析结果显示，如果在今后的发展中光纤应用非石英系统极少消耗材料，损耗能量还能进一步减小。除此之外，因为光纤传输系统损耗不大，所以可以很好地实现终极间距更长的信息传递，简单来说就是在远程传输过程中，光纤传输系统能够有效延伸中继间距，从而减少中继站的数目，而投资成本自然也能得到很好的控制。光纤通信有着很强的防电磁干扰性能，容量带宽更宽，光纤通信数据也能够实现多路传输，应用光纤通信可使设备在一些强电磁干扰环境下进行远距离通信。
6.光纤通信与双绞线和同轴电缆相比，具有不辐射能量、不导电、不存在光信号相互干扰的影响，也不会有在线路“接头处”感应耦合导致的安全问题。由于光纤还具有强大的抗电磁干扰能力，所以为进一步提高can网络的性能，采用光纤作传输介质十分必要，更能给 can 总线应用带来更大的灵活性。
7.现在应用比较成熟的can总线通信结构框图如下图1所示，这种结构使用双绞线进行通信，在can总线上可以挂接很多个can通信单元，各个通信单元之间互不干扰。虽然这种
结构已经非常成熟，但是在一些环境恶劣的工业现场受干扰的程度比较大，不利于在强磁环境下实现can通信。所以研究使用光纤作为通信介质代替双绞线进行通信非常有必要。
8.现有can光纤的几种传输方式如下：1、cpld实现can光纤传输：用cpld实现can光纤传输主要是基于集线器的级联扩展组网方法。基于集线器的组网方案不会出现信号传输环路，这样设计的光纤can总线的可以保证在其物理层之上与 can 总线原有的标准完全兼容，此光纤can总线集线器的组网方案特别适合于网络半径不大，需接入节点较多的车载、机载和舰载设备组网。基于集线器的组网方案不会出现信号传输环路，故从根本上消除了自激阻塞现象，但网络中集线器是光纤can总线中的核心部件，难以保证其具有很高的可靠性和容错能力。总体结构框图入下图2所示。
9.2、fpga实现can光纤传输方式：利用fpga可以实现“逻辑与”的功能，将所有接收端收来的信号，全部进行逻辑与运算，然后通过发送端全部发送出去，这样就用“逻辑与”代替了can总线协议中的信号的“线与”操作，保证了所有can控制器节点在任何时候都可以监听到总线的位信号变化，这样就可以保证光纤can网络能够实现can总线物理层的信号传输的特点，从而可将can信号转换为光纤信号输出，实现效果良好，具有很高的可靠性，但造价昂贵，不利于在普通的设备中使用。总体结构框图入下图3所示。
10.3、使用单片机实现方式：由于光纤支持点对点通信传输，所以可使用单片机并口连接can控制器sj1000再通过光电收发部分将电信号变成光信号，将光纤传输后再转变为电信号，通过can收发器82c250连接到can总线上，即能实现由can信号到光信号的转变传输，基本解决了对某一个或某几个can节点使用光纤代替传统双绞线传输的问题。但由于总线依然采用双绞线，故而也进一步限制了多个节点间的传输质量。总体结构框图入下图4所示。
11.

技术实现要素：

12.为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种新型can光纤通信电路，本发明的技术方案是：一种新型can光纤通信电路，包括can收发电路、隔离电源、隔离传输电路、cpu控制电路和光纤收发电路，所述的can收发电路用于将接收的can信号转换成ttl电平触发源信号进行输出，同时接收光纤收发电路回发的can信号；所述的隔离传输电路用于使外部连接的供电电源与工作时使用的隔离电源进行电气隔离，实现在工作时的传输信号的稳定性；所述的隔离电源用于将其输入端的电压隔离转换后通过其输出端输出，为隔离传输电路和can收发电路以及光纤收发电路提供驱动电压；所述的cpu控制电路用于接收ttl电平触发源信号，并同步送出控制电平信号，消除发送ttl电平中的自侦测帧信号；所述的光纤收发电路用于将ttl电平触发源信号转化成光信号输出至接收端和can收发电路；所述的can收发电路包括can收发器u1和电容滤波保护电路组成，从can总线信号接收部上传输过来的can信号经过电容滤波保护电路传输到can收发器u1上，该can收发器u1与can总线信号接收部的canh输出端子和canl输出端子分别连接；该can收发器u1的txd
和rxd进行数据的交换与转发；所述的电容滤波保护电路包括电阻、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管，所述的电阻连接在canh输出端子和canl输出端子之间，第一电容的一端连接在在canh输出端子，另一端接地；所述的第二电容的一端接入canl输出端子，另一端接地；所述的第一二极管的阴极接入canh输出端子，所述的第二二极管的阴极接入canl输出端子，所述的第一二极管以及第二二极管的阳极接地。
13.所述的cpu控制电路包括史密特触发反相器u2、单片机u3、第一与门芯片u4和第二与门芯片u5，所述第二与门芯片u5的输入端接入史密特触发反相器u2的输出端以及光纤接收器u7的输出端，该第二与门芯片u5的输出端接入单片机u3的第二外部中断脚和第一与门芯片u4的输入端；所述单片机u3的输出端接入第一与门芯片u4的输入端，该第一与门芯片u4的输出端接入u6的输入端，该u6的输出端接入光纤发送器u8的输入端。
14.所述的光纤收发电路包括光纤接收器u7和光纤发送器u8，所述的主机光纤接收器u7的输出端与单片机u3的第一外部中断脚、can收发器的t信号端以及第二与门芯片u5的t信号端连接；该光纤接收器u7的输入端与光纤发送器u8的输出端连接，该光纤发送器u8的输入端接入缓冲器及驱动器u6的输出端。
15.本发明用于解决电磁干扰环境较强的工业现场中can总线信号通过光纤通信方式实现远距离稳定传输的问题。现有光纤can传输方式有：1.通过cpld控制并基于集线器级联扩展组网方法实现；2.通过fpga“逻辑与”功能进行运算方法实现；3.通过单片机并口连接can 控制器再由光电转换实现can信号与光信号传输。目前这几种方式由于成本价格、可靠性和容错能力以及多节点间传输质量等问题在工业现场应用不多，不具有普遍适用性。本发明中由cpu和硬件电路参与调节can信号实现数据的转换传输，省去can信号编译码过程，即可是使can信号与光信号转化传输，实现所需功能。
16.通过单片机和硬件电路参与调节can通信信号实现数据的传输，无需进行can信号编码和解码的过程就能通过本控制系统将can信号与光纤信号相互转化后在光纤进行远距离传输，具有体积小、重量轻、响应快，抗干扰能力强等优点。
17.附图说明
18.图1是现有的can总线应用结构框图。
19.图2是现有的cpld实现光纤传输的结构图。
20.图3是现有的fpga实现光纤传输的结构图。
21.图4是现有的单片机实现光纤传输的结构图。
22.图5是本发明的主体结构框图。
23.具体实施方式
24.下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
25.如图5所示，本发明涉及一种新型can光纤通信电路，包括can收发电路、隔离电源、隔离传输电路、cpu控制电路和光纤收发电路，所述的can收发电路用于将接收的can信号转换成ttl电平触发源信号进行输出，同时接收光纤收发电路回发的can信号；所述的隔离传输电路用于使外部连接的供电电源与工作时使用的隔离电源进行电气隔离，实现在工作时的传输信号的稳定性；所述的隔离电源用于将其输入端的电压隔离转换后通过其输出端输出，为隔离传输电路和can收发电路以及光纤收发电路提供驱动电压；所述的cpu控制电路用于接收ttl电平触发源信号，并同步送出控制电平信号，消除发送ttl电平中的自侦测帧信号；所述的光纤收发电路用于将ttl电平触发源信号转化成光信号输出至接收端和can收发电路。
26.光信号通过光纤收发电路转换成ttl电平信号发送给can收发电路，同时作为触发源信号传送至cpu控制电路，cpu控制电路通过输出相应高、低电平对从can收发器应答返回信息转成的的ttl电平信号进行控制，消除自侦测帧后的ttl电平信号通过取“与”和取“反”操作将ttl电平传送到光纤发送电路，进而转换成光信号进行发出。光纤发送电路主要由光纤发送器及其匹配电容和电阻组成，ttl电平信号在转换器件及驱动电压的作用下将电信号转化成具有同等特征的光信号发出。
27.所述的can收发电路包括can收发器u1和电容滤波保护电路组成，从can总线信号接收部上传输过来的can信号经过电容滤波保护电路传输到can收发器u1上，该can收发器u1与can总线信号接收部的canh输出端子和canl输出端子分别连接；该can收发器u1的txd和rxd进行数据的交换与转发；所述的电容滤波保护电路包括电阻、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管，所述的电阻连接在canh输出端子和canl输出端子之间，第一电容的一端连接在在canh输出端子，另一端接地；所述的第二电容的一端接入canl输出端子，另一端接地；所述的第一二极管的阴极接入canh输出端子，所述的第二二极管的阴极接入canl输出端子，所述的第一二极管以及第二二极管的阳极接地。设计的光纤can电路包括can信号收发电路，cpu控制电路，光纤收发电路。其中can收发电路包括can收发器u1及其匹配电阻和接地电容以及钳位二极管，120ω的匹配电阻连接在canh和canl总线之间，同样接地电容和钳位二极管分别连接在canh、canl与地之间。can收发器的txd和rxd端的输出信号给can信号收发电路以及cpu控制电路。
28.所述的cpu控制电路包括史密特触发反相器u2、单片机u3、第一与门芯片u4和第二与门芯片u5，所述第二与门芯片u5的输入端接入史密特触发反相器u2的输出端以及光纤接收器u7的输出端，该第二与门芯片u5的输出端接入单片机u3的第二外部中断脚和第一与门芯片u4的输入端；所述单片机u3的输出端接入第一与门芯片u4的输入端，该第一与门芯片u4的输出端接入u6的输入端，该u6的输出端接入光纤发送器u8的输入端。cpu控制电路的史密特触发反相器主要是保持信号的极性和的延时作用，将can收发器输出的信号r稍微延时成r1与光纤收发电路中输出的信号t，在第二与门芯片u5的作用下进行取“与”得到信号tr1，与在单片机u3控制下的ttr1信号一起传送给第一与门芯片u4，消除自检测帧，获得的有效信号，再经缓冲器及驱动器u6将传送给光纤收发电路。
29.所述的光纤收发电路包括光纤接收器u7和光纤发送器u8，所述的主机光纤接收器u7的输出端与单片机u3的第一外部中断脚、can收发器的t信号端以及第二与门芯片u5的t信号端连接；该光纤接收器u7的输入端与光纤发送器u8的输出端连接，该光纤发送器u8的
输入端接入缓冲器及驱动器u6的输出端。
30.本发明的工作原理是：当本发明控制系统运行时：主机
←→
can总线信号
←→
ttl信号
←→
光信号
←→
ttl信号
←→
can总线信号
←→
从机；或者是主机
←→
can总线信号
←→
ttl信号
←→
光信号
←→
ttl信号
←→
can总线信号
←→
多个从机从机；can信号从主机侧can总线传输下来，经过can光纤通信电路的can收发电路转换成ttl电平信号在cpu的输出电平和硬件逻辑电路电平协调控制下传送到光纤收发电路转化成光信号，通过光纤发送器将光信号远距离发送到另一块can光纤通信电路，从机接收信号，在通过上述过程的“逆过程”将光信号逐步转换成can信号发回主机从而进行通信；can收发电路由can收发器及电容滤波保护电路组成，can信号从can总线上传输过来的总线信号经过保护电路到can收发器上，并通过其txd和rxd进行数据的交换与转发。单片机通过接受两个中断信号参与电路的自调节功能。
31.can总线接收主机或者设备的总线信号，经过can收发器can收发器u1从rxd引脚输出“r1”通讯信号，这个信号经过三次取反后送到第二与门芯片u5，此时光纤接收器u7没有接收信号，其输出信号t一直为高电平，同时送到单片机u3的第一外部中断脚，和与第二与门芯片u5。这里第一外部中断脚是下降沿触发。 t通讯信号和r1通讯信号取与后分别送到单片机的第二外部中断交和第一与门芯片u4，再和单片机u3输出的电平信号取“与”之后传送给光纤发送器，这样既可把can信号通过ttl电平的形式转化成光信号，发送出去。 r1通讯信号经过三次取反的作用主要是将与t通讯信号完全一样的自监听信号延迟，再取反与“t”通信信号逻辑与，从而消除自监听信号。由于时间上的延迟，与第二与门芯片u5不能完全消除自监听信号tr1，需要单片机的自调节功能来处理，当单片机接收到第一外部中断脚下降沿触发，说明接收到t通讯信号，同步产生了自监听信号，通过中断函数单片机输出的ttr1信号瞬间由初始的高电平变为低电平，与第二与门芯片u5输出的自监听信号tr1逻辑与，由于“u2”的延迟较单片机的延迟长，故单片机输出的ttr1低电平信号早于 第二与门芯片u5输出的自监听信号tr1到达第二与门芯片u5上。同时第二与门芯片u5输出的自监听信号tr1通过第二外部中断脚进入单片机，当检测完tr1的信号，ttr1信号瞬间由低电平变为高电平，由于单片机的延迟，会使ttr1信号延迟变为高电平。这样能够完全消除第二与门芯片u5输出的自监听信号“tr1”，保留正常的通讯信号。
32.光信号的发出和接收主要是通过光纤发送器和光纤接收器来完成的。ttl电平的变化会使光纤发送器发出光在光纤中传输，被传输的光信号和电信号具有相同特征，当光信号传输到光纤接收器上时，光纤接收器会把光信号还原为电信号，从而达到通信的目的。
33.根据以上电平的转换过程，就可实现can总线信号和光纤的相互转化，从而能够使用光纤代替双绞线进行can数据的传输。
34.与现有技术相比，本发明的优点：运用cpu参与控制电平的方法和非门、与门等逻辑控制器实现can信号转化光信号，不用对can信号进行编码和解码，执行过程更为简单，而且体积小、成本低、效率高、抗干扰能力强。使其不仅能提升设备的通信效率与可靠性，最终有效地提升设备在强电磁干扰环境中的通信能力与水平。
35.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。