一种多接口旋转式光纤通信装置的制作方法

1.本实用新型涉及通信装置，特别是一种多接口旋转式光纤通信装置。


背景技术：

2.旋转式通信技术，即实现甲乙物体在以360度高速旋转时双方相互间的通信技术。传统的旋转式通信以电滑环为主，由电刷、碳刷、集电环、集流环、汇流环、旋通和旋转电气关节等组成，用于在无限制连续旋转时，传输功率电源及电信号的。其定子与转子部分分别引出导线连接固定结构与旋转结构的电源与终端电器，并随之旋转。根据其整体结构的不同，分为实圆滑环(在旋转体上挖一个孔，安装旋转体)、空圆滑环(将转动部分安装在旋转轴上)、分离滑环、扁盘滑环、水银滑环及特制型旋转等种类。
3.传统的电滑环采用碳刷紧靠铜环的技术，以传输大电流为主，但因磨擦产生大量碳合金粉，需要定期清理或更换碳刷。对于小信号或者速度要求极高的应用场合这种传统的滑环技术，显然达不到要求。由于现代精密电子与精密机电产品的迅猛发展，精密的旋转式通信技术应运而生。
4.旋转式通信在现代军事、工业等高科技领域有着广泛的应用。如风力发电、雷达天线、医疗ct、舰艇系统、火控系统、车辆系统、光电经纬仪、直升机、飞机、卫星、飞船、潜艇、石油平台、声纳探测设备、包装设备、视频监控系统、物料输送系统、远程机械遥控、工业传感器等高速视频、数字、模拟信号的传输和控制的通信应用场合。
5.目前，光纤通信以速度快、干扰小、保密性好等特点，已应用于旋转通信当中，这种以光纤为介质的旋转通信，其应用特点是，电信号转换成光信号的接口较多，如485接口到光转换、uart接口到光转换、can接口到光转换及rj45以太网到光转换等。因此，设计一种多接口的旋转式光纤通信系统（装置），对于要求速度较高或者适应接口更多的旋转通信,就显得尤为重要。
6.另外，在应用中，如果不使用旋转部分，其应用就可组成多用途的“光端机”。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是提供一种多接口旋转式光纤通信装置及实现方法,以便支持两个旋转体可以选择需要的通信协议进行光纤通信。
8.本实用新型的目的是这样实现的，一种多接口旋转式光纤通信装置，其特征是：至少包括光纤通信的第一通信单元(1)和第二通信单元(2)，第一通信单元(1)和第二通信单元(2)以同轴旋转光连接，第一通信单元(1)或第二通信单元(2)与旋转凸镜固定为一体，第一通信单元(1)和第二通信单元(2)分别包括光纤通信接口，通过光纤通信端口使输出光通过旋转凸镜成像或聚焦在相互的光纤通信接口面上；所述的第一通信单元(1)和第二通信单元(2)具有相同的结构，所述的第一通信单元(1)或第二通信单元(2)包括第一数字链路输入/输出(11)、数字多接口变换单元(12)、写电平转换模块(13)、读电平转换模块(14)和高速光电模块(15)；第一通信单元(1)通过第一通光纤接口(3)将输出光由旋转成像透镜
(5)成像或聚焦在第二通信单元(2)的第二通信光纤接口(4)端面上；第二通信单元(2)通过第二通信光纤接口(4)将输出光由旋转成像透镜(5)成像或聚焦在第一通信单元(1)的第二通信光纤接口(4)端面上。
9.所述的第一数字链路输入/输出（11）和第二数字链路输入/输出（21）具有相同的模块结构，包括：rj45以太网通信接口（1000）、can通信接口（1100）、art异步通信接口（1200）和rs485通信接口（1300）四个独立的通信接口；每一种接口将不同的电平信号归一化成ttl电平,输入电连接到数字多接口变换单元（12）。
10.所述的数字多接口变换单元（12）采用基于高密度高速度的fpga器件。
11.所述的高密度高速度的fpga器件或为ep2s30或为ep2s90。
12.所述的第一数字链路输入/输出（11）或第二数字链路输入/输出（21）还包括有通道选择模块（1400），通道选择模块（1400）是通过2位开关的拨码开关的状态选出通道1到通道4的当前工作通道。
13.所述的rj45以太网通信接口（1000）包括：rj45标准网口（1001）、适应10m/100m带宽的耦合变压器（1002）和双差分i/v变换与phy物理变换模块（1003），rj45标准网口（1001）、适应10m/100m带宽的耦合变压器（1002）和双差分i/v变换与phy物理变换模块（1003）串联一起把写电流和读电流转换成ttl电平的信号。
14.所述的can通信接口（1100）包括：can标准接口（1101）、高数can的收发器（1102），can标准接口（1101）和高数can的收发器（1102）接口电连接将canh、canl的平衡电平转换成ttl电平的信号。
15.所述的art异步通信接口（1200）包括： uart标准接口（1201）、高数uart双向收发驱动模块（1202），uart标准接口（1201）和高数uart双向收发驱动模块（1202）接口电连接将232txd、232txd电平转换成ttl电平的utxd、urxd信号。
16.rs485通信接口（1300）包括：rs485标准接口（1301）、高数rs485单工收发驱动模块（1302），rs485标准接口（1301）和高数rs485单工收发驱动模块（1302）接口电连接将485引线的a、b压差信号转换成ttl电平的485txd、485rxd信号。
17.本实用新型的优点是：本实用新型由两大部分和旋转凸镜组成，数字链路输入/输出是输入输出数字接口（如rj45、can、rs485及uart等外围模块）；数字多接口变换单元是用高密度高速度fpga可编程器件实现的通信数字内核控制器（如，以太网通信内核、can通信内核、rs485通信内核和uart通信内核）；写电平转换是ttl电平转成差分pecl电平转换器；读电平转换是差分pecl电平转成ttl电平转换器；高速光电模块是将txd差分pecl信号转换成“光”或将“光”信号转换成rxd的差分pecl信号，其速率高达几十ghz；旋转凸镜是将第一通信单元部分的光信号由旋转凸镜聚焦并传输到第二通信单元2部分，完成第一通信单元1和第二通信单元2整个数字链路的通信。
附图说明
18.下面结合实施例附图对本实用新型作进一步说明：
19.图1是本实用新型实施例结构示意图；
20.图2是本实用新型实施例原理结构示意框图；
21.图3是输入/输出数字接口；
22.图4四通道内核选择模块；
23.图5是fpg实现的以太网内核框图；
24.图6是以太网顶层模块；
25.图7是以太网发送、接收和crc校验链接图；
26.图8是can通信内核模块框图；
27.图9是can通信内核电路；
28.图10是uart通信内核框图；
29.图11是uart 通信内核电路；
30.图12是485通信内核框图。
31.图中，1、第一通信单元；2、第二通信单元；3、第一通信光纤接口；4、第二通信光纤接口；5、像透镜；6、安装结构；11、第一数字链路输入/输出；12、数字多接口变换单元；13、写电平转换模块；14、读电平转换模块；15、高速光电模块；21、第二数字链路输入/输出；1000、rj45以太网通信接口；1100、can通信接口；1200、art异步通信接口；1300、rs485通信接口；1400、通道选择模块；1001、rj45标准网口；1002、适应10m/100m带宽的耦合变压器；1003、双差分i/v变换与phy物理变换模块；1101、can标准接口；1102、高数can的收发器；1201、uart标准接口；1202、高数uart双向收发驱动模块；1301、rs485标准接口；1302、高数rs485单工收发驱动模块；2001、以太网通信内核模块；2101、can通信内核模块；2201、uart通信内核模块；2301、485通信内核模块；2010、脉冲信号同步处理模块；2011、数据发送模块；2012、数据接收模块；2013、缓存模块；2014、校验模块；2110、can脉冲信号同步模块；2111、can通信数据发送模块；2112、can通信数据接收模块；2113、can通信fifo数据缓存模块；2114、邮箱控制模块；2115、过滤处理模块；2116、crc校验模块；2117、ram模块；2210、串口的时钟信号生成波特率时钟模块；2211、串口发送模块；2213、串口接收、并串转换模块；2214、串并转换模块；2201、uart 通信内核电路。
具体实施方式
32.实施例1
33.如图1和图2所示，一种多接口旋转式光纤通信装置及实现方法，至少包括光纤通信的第一通信单元1和第二通信单元2，第一通信单元1和第二通信单元2以同轴旋转光连接，第一通信单元1和第二通信单元2包括多个通信协议，第一通信单元1或第二通信单元2通过向第二通信单元2或第一通信单元1发送握手命令和协议规则进行旋转式光纤通信。所述的第一通信单元1或第二通信单元2通过向第二通信单元2或第一通信单元1发送握手命令和协议规则进行旋转式光纤通信至少包括一个开始确认协议规则。所述的开始确认协议规则或是通过内部定义的通信模式。
34.第一通信单元1或第二通信单元2与旋转凸镜通过安装结构6固定为一体，第一通信单元1和第二通信单元2分别包括光纤通信接口，通过光纤通信端口使输出光通过旋转凸镜成像或聚焦在相互的光纤通信接口面上。
35.如图2所示，所述的第一通信单元1或第二通信单元2包括第一数字链路输入/输出11、数字多接口变换单元12、写电平转换模块13、读电平转换模块14和高速光电模块15；第一通信单元1通过第一通光纤接口3将输出光由旋转成像透镜5成像或聚焦在第二通信单元
2的第二通信光纤接口4端面上；第二通信单元2通过第二通信光纤接口4将输出光由旋转成像透镜5成像或聚焦在第一通信单元1的第二通信光纤接口4端面上。
36.所述的第二通信单元2同样包括第二数字链路输入/输出21和数字多接口变换单元22、写电平转换模块23、读电平转换模块24和高速光电模块25，第一通信单元1通过第一通光纤接口3将输出光由旋转成像透镜5成像或聚焦在第二通信单元2的第二通信光纤接口4端面上；第二通信单元2通过第二通信光纤接口4将输出光由旋转成像透镜5成像或聚焦在第一通信单元1的第二通信光纤接口3端面上。
37.如图3所示，为了适应不同用户或不同通信速率的要求，第一数字链路输入/输出11或第二数字链路输入/输出21具有相同的模块结构，包括：
38.rj45以太网通信接口1000、can通信接口1100、art异步通信接口1200和rs485通信接口1300四个独立的通信接口。每一种接口经相关外围预处理模块后，将不同的电平信号归一化成ttl电平,输入到数字多接口变换单元12，数字多接口变换单元12采用基于高密度高速度的fpga器件，完成对四个通道不同协议的数字硬核通信功能。
39.实施例2
40.与实施例1不同的是实施例2中，第一通信单元1或第二通信单元2通过向第二通信单元2或第一通信单元1发送握手命令和协议规则进行旋转式光纤通信至少包括一个开始确认协议规则是通过模式选择开关定义。
41.实施例1和实施例2的第一数字链路输入/输出11或第二数字链路输入/输出21具有相同的模块结构，包括：rj45以太网通信接口1000、can通信接口1100、art异步通信接口1200和rs485通信接口1300四个独立的通信接口。
42.rj45以太网通信接口1000包括：rj45标准网口1001、适应10m/100m带宽的耦合变压器1002和双差分i/v变换与phy物理变换模块1003，rj45标准网口1001、适应10m/100m带宽的耦合变压器1002和双差分i/v变换与phy物理变换模块1003串联一起把写电流（td+与td-）和读电流（rd+与rd-）转换成ttl电平的wtxd[3:0]、wrxd[3:0]信号。
[0043]
can通信接口1100包括：can标准接口1101、高数can的收发器1102，can标准接口1101和高数can的收发器1102接口电连接将canh、canl的平衡电平转换成ttl电平的ctxd[7:0]、crxd[7:0]信号。
[0044]
art异步通信接口1200包括： uart标准接口1201、高数uart双向收发驱动模块1202，uart标准接口1201和高数uart双向收发驱动模块1202接口电连接将232txd、232txd电平转换成ttl电平的utxd、urxd信号。
[0045]
rs485通信接口1300包括：rs485标准接口1301、高数rs485单工收发驱动模块1302，rs485标准接口1301和高数rs485单工收发驱动模块1302接口电连接将485引线的a、b压差信号转换成ttl电平的485txd、485rxd信号。485t/r信号是ttl电平受控于fpga（2）中的第4通道读写控制器。
[0046]
实施例2中第一数字链路输入/输出11或第二数字链路输入/输出21包括有通道选择模块2402，第一通信单元1或第二通信单元2通过向第二通信单元2或第一通信单元1发送握手命令和协议规则进行旋转式光纤通信开始确认协议规则是通过通道选择模块2402（模式选择开关）定义。
[0047]
通道选择模块2402是通过2位开关的拨码开关（on、off）的状态选出通道1到通道4
的当前工作通道。其中，a1、a0=00，为通道1；a1、a0=01，为通道2；a1、a0=10，为通道3；a1、a0=11，为通道4。
[0048]
如图4所示，数字多接口变换单元12采用基于高密度高速度的fpga器件，完成对四个通道不同协议的数字硬核通信功能。高密度高速度的fpga器件搭建满足不同通信速率、不同通信协议的内核模块和四个通道的归一化视图。
[0049]
高密度高速度的fpga器件内部包括：以太网通信内核模块2001、can通信内核模块2101、art通信内核模块2201、485通信内核模块2301,其中，受控于外围拨码开关2402（on、off）输入信号a1、a0的译码状态，输出y0、y1、y2、y3只能一个有效，并分别以太网通信内核模块2001、can通信内核模块2101 、uart通信内核模块2201、485通信内核模块2301。上述内核模块的输出，在y0、y1、y2、y3信号选通下，由（2401）带三态门输出的4-1选择器切换，并将相关并行数据转换成串行数据输出。当y0有效，输出r/t-0[3:0]（txd、rxd）信号；当y1有效，输出r/t-1[7:0]（txd、rxd）信号；当y2有效，输出r/t-2（txd、rxd）信号；当y3有效，输出r/t-3（txd、rxd）信号。
[0050]
以太网通信内核模块2001，用于满足以太网的通信协议，输入信号是wtxd[3:0]和wrxd[3:0]，输出是r/t-0[3:0]全双工的读写4位并行数据。
[0051]
can通信内核模块2101，用于满足can的通信协议，输入信号是ctxd[7:0]和crxd[7:0]，输出是r/t-1[7:0]的8位并行的读写数据。
[0052]
uart通信内核模块2201，用于满足uart异步通信协议，输入信号是utxd和urxd，输出是r/t-2全双工的读写信号。
[0053]
485通信内核模块2301，用于满足485异步通信协议，输入信号是485txd和485rxd，输出是r/t-3半双工的读写信号，读写信号485t/r由485内核的读写信号复合产生。
[0054]
以太网通信内核模块2001包括： udp模块和脉冲信号同步处理模块2010构成，由数据发送模块2011、数据接收模块2012、缓存模块2013、校验模块2014形成udp模块； udp模块是以太网传输数据的核心模块，输入输出端口被封装成用户方便调用的接口, udp模块和脉冲信号同步处理模块2010之间通过数字i/o接口连接，脉冲信号同步处理模块负责将一个时钟域下的脉冲信号同步到另一个时钟域下的脉冲信号。缓存模块2013是由quartus软件自带的fifo软核生成的，缓存的大小为2048个32bit，为了能够满足单包数据量较大的情况（尽管通常情况下，以太网帧有效数据不超过1500个字节），所以fifo的深度最好设置的大一点，这里把深度设置为2048，宽度为32位。
[0055]
fpga顶层模块例化了udp模块和脉冲信号同步处理模块2010。
[0056]
在图6中, 数据发送模块2011、数据接收模块2012在udp模块内数据端口没有信号连接，数据的交互放在了fpga顶层模块里面。主要是以太网发送模块和crc32校验模块（crc32_d4）数据信号的连接，发送模块端口的eth_tx_data（ mii输出数据）连接到crc32的输入数据端口， crc32校验模块将校验结果连接到发送模块。
[0057]
以太网的数据接收模块2012较为简单，因为我们不需要对数据做ip首部校验也不需要做crc循环冗余校验，只需要判断目的mac地址与开发板mac地址、目的ip地址与开发板ip地址是否一致即可。接收模块的解析顺序是：前导码+帧起始界定符
→
以太网帧头
→
ip首部
→
udp首部
→
udp数据（有效数据）
→
接收结束。 mii接口数据为4位数据，先把4位数据转成8位数据会方便解析数据，ip数据报一般以32bit为单位，为了和ip数据报格式保持一致，
所以要把8位数据转成32位数据，因此接收模块实际上是完成了4位数据转32位数据的功能。
[0058]
以数据发送模块2011、数据接收模块2012比较类似，但是多了ip首部校验和和crc循环冗余校验的计算。crc的校验并不是在发送模块完成，而是在crc校验模块（crc32_d4）里完成的。发送模块的发送顺序是前导码+帧起始界定符
→
以太网帧头
→
ip首部
→
udp首部
→
udp数据（有效数据）
→
crc校验。输入的有效数据为32位数据，mii接口为4位数据接口，因此发送模块实际上完成的是32位数据转4位数据的功能。
[0059]
校验模块2014是对以太网发送模块的数据（不包括前导码和帧起始界定符）做校验。crc32校验在fpga实现的原理是lfsr（ linear feedback shift register，线性反馈移位寄存器），其思想是各个寄存器储存着上一次crc32运算的结果，寄存器的输出即为crc32的值。
[0060]
图7是数据发送模块2011、数据接收模块2012和crc校验链接图,由于图7和图6已到了集成电路内容细节，涉及细节太多，说明书不作太多说明，其模块构造已经在图5中进行说明。
[0061]
用fpga实现的can通信内核模块2101框图见图8所示，其中，can时钟模块生成can通讯的时钟基准、can接收模块和can发送模块均使用fifo进行数据缓存，滤波器处理模块则实现对消息id的过滤功能、crc模块完成接收数据的校验和邮箱控制模块则利用有限状态机实现can协议中的邮箱功能。
[0062]
包括：can脉冲信号同步模块2110、can通信数据发送模块2111、can通信数据接收模块2112、can通信fifo数据缓存模块2113、ram模块2117、邮箱控制模块2114、过滤处理模块2115、crc校验模块2116，其中can脉冲信号同步模块2110用于生成can通讯的时钟基准，can通信fifo数据缓存模块2113和 ram模块2117用于can通信数据发送模块2111和can通信数据接收模块2112的数据缓存；过滤处理模块2115用于实现对消息id的过滤功能，crc校验模块2116用于接收数据的校验，邮箱控制模块2114用于实现can协议中的邮箱功能。
[0063]
输入信号有ctxd[7:0]、crxd[7:0]及can_clk,输出则为txd[7:0]、rxd[7:0]8位并行数据。
[0064] can通信内核模块2101根据can的硬件规则和软件协议，使用verilog语言对其进行硬件描述,实现的rtl视图见图9所示。
[0065]
如图10和图11所示，uart通信内核模块2201用fpga实现的uart通信内核框图见图10所示，包括串口的时钟信号（rs232_clk）生成波特率时钟模块2210、串口发送模块2211、串口接收、并串转换模块2213和串并转换模块2214, 输入信号有utxd、crxd及rs232_clk,输出则为txd、rxd串行数据。根据uart的硬件规则和软件协议，使用verilog语言对其进行硬件描述,实现的rtl视图，见图11所示。
[0066]
输入信号有utxd、crxd及rs232_clk,输出则为txd、rxd串行数据。
[0067]
根据uart的硬件规则和软件协议，使用verilog语言对其进行硬件描述,实现的rtl视图，见图11所示。uart_recv为串口接收模块，从串口接收端口uart_rxd接收输入口发送来的串行数据，并在一帧数据（ 8位）接收结束后给出通知信号uart_done； uart_send为串口发送模块，以uart_done为发送使能信号，将接收到的数据uart_data通过串口发送端口uart_txd发送出去。
[0068]
485通信内核模块2301如图12所示，它与uart 通信内核电路2201相比较，多了读写比较模块，在串口发送模块和串口接收模块外接口引入读写比较模块进行485通信转换，485通信内核模块2301的细节与uart 通信内核电路2201比较接近，过多细节可参考uart 通信内核电路2201结构。
[0069]
本实用新型的高密度高速度的fpga器件或采用能实现本实用新型的其它可编程器件。