专利名称：基于两线两态通讯总线系统的集线器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集线器，特别是基于两线两态通讯总线系统的集线器。
背景技术：
随着网络与自动化行业的发展，为了实现现场设备互连和数据资源共享，已经形成了多种现场总线标准，如基金会总线(FF)、CAN(Control AreaNetwork)总线、LONworks总线、ControlNet总线标准等，目前这些总线广泛应用于工业控制、智能楼宇及家庭自动化等领域。
在现场总线中，两态总线通讯使用较为普遍。所谓两态总线通讯是指总线上具有两种互补逻辑显性位和隐性位，当只有显性位发送时，总线上的状态为显性位；只有隐性位发送时，总线上的状态为隐性位；当显性位与隐性位同时发送时，总线上的状态为显性位。显性位用逻辑“0”表示，隐性位用逻辑“1”表示。该类总线在传输距离和节点数存在着一定的限制。以CAN总线为例，它的直接传输距离最远为40m(1Mbps)～10km(5kbps)，节点数最多为110个。由于通讯的直接传输距离存在着一定的限制，如果要想将通讯距离加长，就需要通过中继器；如果在一个规模较大的系统中，例如楼宇自控系统，要想将相隔较远距离并且较分散的控制站点共同连到系统总线上，这时就非常需要有集线器，通过集线器可以将分散的各控制站点分成若干个网段组成一个总线网络。但是目前的中继器和集线器是一个智能设备，系统通讯的可靠性和实时性与中继器或集线器软件的稳定及可靠性密切相关，一旦中继器或集线器的程序发生问题，将会影响整个系统无法正常工作，因此这是系统通讯的一个相当关键的问题。
发明内容
针对背景技术中存在的不足，本发明提供一种基于两线两态通讯总线系统的集线器，本发明的集线器采用非智能的硬件实现现有集线器的功能，以提高其工作的可靠性和稳定性。
本发明包括多个电平转换电路，所述的电平转换电路具有一个通讯总线接口、一个输入端和一个输出端；其结构特点是还包括具有多路输入和多路输出的逻辑控制器，以及对应于每个电平转换电路的多个防总线震荡电路；每个电平转换电路的输出端与所述逻辑控制器的一路输入连接，逻辑控制器的一路输出分别与一个电平转换电路的输入端和对应的防总线震荡电路的输入连接，每个防总线震荡电路的输出与所述逻辑控制器的一路输入连接；仅当所有电平转换电路的通讯总线接口连接的网段为隐性位，所述逻辑控制器的输出全为高电平；如果某一电平转换电路的通讯总线接口为显性位时，所述逻辑控制器使其余电平转换电路的通讯总线接口状态为显性位。
当所述逻辑控制器的输出由低电平变为高电平时，所述的防总线震荡电路在一定时间段内输出高电平，在该时间段内，输出端为低电平的电平转换电路的输出信号被所述的逻辑控制器封锁，以防止外接的通讯总线产生震荡。
根据上述技术方案，所述的逻辑控制器由多个“或”门和多个“与”门组成，每个“或”门的一输入端作为逻辑控制器的一路输入，每个与门的输出作为逻辑控制器的一路输出；电平转换电路的输出和其相应防总线震荡电路的输出与同一个“或”门的输入连接。
根据上述技术方案，所述的逻辑控制器为可编程逻辑芯片。
根据上述技术方案，所述的防总线震荡电路为单稳态触发器组成的单稳态触发电路；当单稳态触发器的触发输入端出现由低电平到高电平的脉冲上升沿时，所述的单态稳发电路在一定时间段内输出高电平。
根据上述技术方案，所述的电平转换电路包括用于CAN总线的信号驱动芯片，与信号驱动芯片连接的光电耦合器。
根据上述技术方案，所述的一光电耦合器的输出端连接有保护电路，所述的保护电路由单稳态触发器构成，当电平转换电路的通讯接口长时间为显性位时，所述的保护电路将电平转换电路输出端的信号封锁。
根据上述技术方案，本发明还包括扩展端口，所述扩展端口与所述逻辑控制器电连接；通过所述扩展口可使多个所述的基于两线两态通讯总线系统的集线器合并组成具有更多通讯总线接口的集线器本发明采用非智能的硬件结构实现现有技术的智能集线器软件的功能，大幅度地提高了集线器工作的稳定性和可靠性，避免了现有智能集线器因运行程序出现故障而造成系统瘫痪的现象。本发明内部对不同网段之间通讯的逻辑转换由硬件电路完成，所以不论在同一网段内，或是不同网段之间的各节点在系统中的通讯都是实时的。因此，利用本发明连接多个网段，可将任何一个节点或网段的通讯数据实时的反映到其它各节点或网段。本发明还可提高通讯的传输距离，合理优化通讯系统结构。
图1为本发明的结构框图；图2为具有3个通讯总线接口的本发明集线器电路原理图；图3为采用逻辑电路构成逻辑控制器的本发明集线器电路原理图；图4为具有两个通讯总线接口的本发明集线器电路原理图；图5为具有扩展端口的本发明集线器电路原理图；图6为用于CAN总线的电平转换电路原理图；图7为用于CAN总线并带有保护电路的电平转换电路原理图；图8为用具有3个通讯总线接口的本发明集线器组成的CAN总线通讯系统；图9为用两个具有扩展口的本发明集线器组成的CAN总线通讯系统；实施例参考图1集线器4包括多个电平转换电路2，与电平转换电路2相对应的多个防总线震荡电路2，以及逻辑控制器5。电平转换电路2具有一个通讯总线接口1、一个输入端和一个输出端，通讯总线接口1用于连接网段总线。电平转换电路2将网段总线信号转换成集线器4进行逻辑运算所需的CMOS电平并通过输出端送至逻辑控制器5的输入；或者将逻辑控制器5输出的CMOS电平信号转换成适应于网段总线所需的信号。逻辑控制器5根据某一网段主动发送的信号(显性位或隐性位)来控制其余网段的状态，使所有网段的信号保持一致，即同为显性位或隐性位。
如图2所示集线器4具有3个电平转换电路2-1、2-2、2-3，通过其通讯总线接口1-1、1-2、1-3可外接3个网段。逻辑控制器5由“或”门U5A、U5B、U5C，“与”门U1A、U1B、U1C，电阻R9、R10、R11组成。逻辑控制器5根据某一电平转换电路主的输出来对其余电平转换电路的输入进行控制。例如初始态所有通讯总线接口均为隐性位，当与通讯总线接口1-1连接的网段1发送显性位时，电平转换电路2-1的输出M1-RX为低电平，经或门U5A后仍为低电平，“与”门U1B、U1C的输出也为低电平，电平转换电路2-2、2-3的输入M2-TX、M3-TX为低电平，通过电平转换后与通讯总线接口1-2、1-3连接的网段总线将出现显性位，即与网段1状态相同；当网段2或网段3出现显性位时，同理，逻辑控制器5将使其余网段与网段2或网段3状态相同。
在网络系统通讯过程中，网段总线的状态总是不断地在显性位和隐性位之间变化，而在网段总线发生变化的瞬间可能发生总线震荡现象。如初始状态为网段1主动发送显性位，网段2、3反映网段1的状态，均为显性位；此时网段1要主动发送隐性位，理论上网段2、3上的状态应立即变为隐性位状态，但实际上由于电路上存在时间延迟，所以网段2、3上的状态会延迟一定时间才变为隐性状态。在延时时间内，网段2、3上仍维持原来的显性状态，因此，这一状态将会在控制器5的控制下反映到其它网段，也就是网段1，这时网段1总线上出现的显性状态为虚假显性，而网段1此时正在主动发送隐性状态，这就会导致总线上产生震荡现象。但在某一网段由主动发送隐性位到主动发送显性位的过程中不会发生这一现象。
防总线震荡电路3由单稳态触发器、“非”门、“或”门、电阻及电容构成单稳态触发电路，仅当某一网段由主动发送显性位到主动发送隐性位的变化时，其余网段相对应的防总线震荡电路起保护作用。如初始状态为网段1主动发送显性位，网段2、3反映网段1的状态，均为显性位，电平转换电路2-2、2-3的输入端M2-TX、M3-TX为低电平；此时网段1主动发送隐性位，在控制器5的控制下，电平转换电路2-2、2-3的输入端M2-TX、M3-TX变为高电平，同时防总线震荡电路3-2、3-3的输入端出现一个脉冲上升沿，该上升沿将使单稳态触发器U4B、U4C输出一个脉宽为常数RC的高电平脉冲，分别经或门U3B、U5B和U3D、U5C后输出高电平，在延时时间内将其输出端M2-RX、M3-RX的低电平信号封锁，避免其反映到网段1。
参考如图3图2所示结构中的控制器5由可编程逻辑芯片5-1代替，其型号为GAL16V8D，通过编程，可编程逻辑芯片5-1实现图2所示逻辑控制器5的逻辑运算功能，其工作原理相同。
如图4所示为在图3的基础上增加了一个扩展端口6，通过扩展端口6可与另一集线器的相同端口连接，从而将两个集线器合并组成一部可接双倍网段的集线器。扩展端口的输入RX、输出TX与控制器5-1的输出连接。
如图5所示本发明的集线器是在图3所示的结构上去掉一个电平转换电路，只能外接两个网段，本结构实现的就是中继器的功能，可作为单纯延长总线传输距离时使用。
图6为适用于CAN总线的电平转换电路，其中CAN总线接口芯片U6A型号为82C250，也可以使用其它型号的CAN总线接口芯片。
图7所示结构为在图6的基础上增加了光电耦合器和保护电路。光耦U7A、U7B是为了将集线器与长距离传输的总线之间进行光电隔离传输，以避免将某一网段总线上的干扰通过集线器传递给其它网段。图中由单稳态触发器U8A和电阻R14、电容C4组成的保护电路是为防止这一网段的总线发生故障时会影响其它网段也不能正常工作的保护电路，如本网段的总线发生故障而总是呈现显性状态，保护电路会在由隐性状态向显性状态改变的同时由单稳态触发器U8A的4脚产生一低电平，这一低电平会维持一段时间(延迟时间由电阻R14和电容C4决定)，在这段时间内，总线上的状态可自由通过“或”门U6，但是如果超出这段时间，总线上仍维持显性状态，单稳态触发器U8A的4脚会变为高电平，这样总线上的显性状态将无法通过“或”门U6，也就不会传递给其它网段。因此，其中一个网段出现故障时，其它网段仍能正常工作。图中由二极管D1、D2和稳压管Z1组成的电路，以及由二极管D3、D4和稳压管Z2组成的电路是为了防止当总线发生故障产生过高的电压而损坏CAN总线接口芯片U6A。
如图8所示，利用集线器可以将总线通讯系统划分成更多的网段，这样可以将较集中的节点接在同一网段中，而将较分散的节点划分到不同的网段，为系统的配置提供了更为优化的方案。而且由于其中一个网段的通讯故障不会影响其它网段，这就大大的降低了通讯故障对整个系统带来的危害，提高了系统的可靠性。
如图9所示为本发明集线器的扩展使用方法。将两个CAN集线器的扩展端口连接，可将两个CAN集线器合并组成一部可以连接双倍数量网段的CAN集线器8。
本发明集线器的通讯总线接口并不仅限于3个，根据需要可以有多个，其工作原理和方法相同。
权利要求
1.一种基于两线两态通讯总线系统的集线器，包括多个电平转换电路，所述的电平转换电路具有一个通讯总线接口、一个输入端和一个输出端；其特征在于还包括具有多路输入和多路输出的逻辑控制器，以及对应于每个电平转换电路的多个防总线震荡电路；每个电平转换电路的输出端与所述逻辑控制器的一路输入连接，逻辑控制器的一路输出分别与一个电平转换电路的输入端和对应的防总线震荡电路的输入连接，每个防总线震荡电路的输出与所述逻辑控制器的一路输入连接；仅当所有电平转换电路的通讯总线接口连接的网段为隐性位，所述逻辑控制器的输出全为高电平；如果某一电平转换电路的通讯总线接口为显性位时，所述逻辑控制器使其余电平转换电路的通讯总线接口状态为显性位。当所述逻辑控制器的输出由低电平变为高电平时，所述的防总线震荡电路在一定时间段内输出高电平，在该时间段内，输出端为低电平的电平转换电路的输出信号被所述的逻辑控制器封锁，以防止外接的通讯总线产生震荡。
2.根据权利要求1所述的基于两线两态通讯总线系统的集线器，其特征在于所述的逻辑控制器由多个“或”门和多个“与”门组成，每个“或”门的一输入端作为逻辑控制器的一路输入，每个与门的输出作为逻辑控制器的一路输出；电平转换电路的输出和其相应防总线震荡电路的输出与同一个“或”门的输入连接。
3.根据权利要求1所述的基于两线两态通讯总线系统的集线器，其特征在于所述的逻辑控制器为可编程逻辑芯片。
4.根据权利要求1所述的基于两线两态通讯总线系统的集线器，其特征在于所述的防总线震荡电路为单稳态触发器组成的单稳态触发电路；当单稳态触发器的触发输入端出现由低电平到高电平的脉冲上升沿时，所述的单态稳发电路在一定时间段内输出高电平。
5.根据权利要求1所述的基于两线两态通讯总线系统的集线器，其特征在于所述的电平转换电路包括用于CAN总线的信号驱动芯片，与信号驱动芯片连接的光电耦合器。
6.根据权利要求5所述的基于两线两态通讯总线系统的集线器，其特征在于所述的一光电耦合器的输出端连接有保护电路，所述的保护电路由单稳态触发器构成，当电平转换电路的通讯接口长时间为显性位时，所述的保护电路将电平转换电路输出端的信号封锁。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于两线两态通讯总线系统的集线器，其特征在于还包括扩展端口，所述扩展端口与所述逻辑控制器电连接；通过所述扩展口可使多个所述的基于两线两态通讯总线系统的集线器合并组成具有更多通讯总线接口的集线器。
全文摘要
该发明公开了一种基于两线两态通讯总线系统的集线器，包括具有通讯总线接口的多个电平转换电路，具有多路输入和多路输出的逻辑控制器，以及对应于每个电平转换电路的防总线震荡电路；仅当所有电平转换电路的通讯总线接口为隐性位时，逻辑控制器将使其余电平转换电路的通讯总线接口为隐性位；如果某一电平转换电路的通讯总线接口为显性位时，所述逻辑控制器将使其余电平转换电路的通讯总线接口为显性位；防总线震荡电路在逻辑控制器输出状态变化时避免总线产生震荡。该发明采用非智能的硬件结构实现现有技术的智能集线器软件的功能，避免了现有智能集线器因运行程序出现故障而造成系统瘫痪的现象。该发明主要用于通讯总线系统。
文档编号H04L12/46GK1417984SQ0113446
公开日2003年5月14日 申请日期2001年11月5日 优先权日2001年11月5日
发明者张青, 戈彦霞, 何国霖 申请人:清华同方股份有限公司