一种用于控制器局域网络的光纤双环冗余控制器

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步详细的说明。

在图1中，双环冗余控制器1作为一个CAN节点的收发部件，连接在CAN接口2、主环光纤接收器3、主环光纤发送器4、副环光纤发送器5和副环光纤接收器6之间。该双环冗余控制器包括主环信号转发器7、主环信号选择器8、副环信号选择器9和时钟发生器10。

主环信号转发器7的作用是实现CAN节点和光纤环路之间的信号转发。当CAN节点要发送数据时，它通过该节点的CAN接口把数据帧信号发送给主环信号转发器7，主环信号转发器7把该信号发送到光纤环路上，光纤环路上的其它CAN节点从自身的主环信号转发器接收到该数据帧信号。当该数据帧信号在光纤环路上传递一周又被发送节点的主环信号转发器7收到时，主环信号转发器7通过内部的逻辑电路使其不再转发给本节点的CAN接口和其它节点，以免造成网络死锁。

主环信号选择器8和副环信号选择器9的作用是动态组成光纤工作环路，其内部结构完全相同，各有两个输入端和一个输出端。在缺省情况下，其第一输入端信号被选通作为输出端信号，当在给定时间窗内没有检测到第一输入端的脉冲信号时，则第二输入端信号被选通作为输出端信号，当第一输入端又有脉冲信号输入时，信号选择器自动把第一输入端信号选通到输出端，即第一输入端的脉冲信号总能出现在信号选择器的输出端。在网络发生局部故障时，各节点的主环信号选择器8和副环信号选择器9能自动组成工作环路，绕过故障段，当故障排除时，又恢复原有的工作环路。

时钟发生器10的作用是为主环信号转发器7、主环信号选择器8、副环信号选择器9提供电路工作所需的时钟信号。

图2给出了应用本发明的一个CAN光纤双环冗余网络示例，该网络由节点A、B、C、D和光纤端a、b、c、d、e、f、g、h组成。其中各个节点的主环光纤接收器(3A，3B，3C和3D)、主环光纤发送器(4A，4B，4C和4D)和光纤段a、b、c、d组成了网络的主环，各个节点的副环光纤接收器(6A，6B，6C和6D)、副环光纤发送器(5A，5B，5C和5D)和光纤段e、f、g、h组成了网络的副环。

在网络正常的情况下，当系统中CAN节点A要发送数据时，它通过该节点CAN接口把数据帧信号发送给其主环信号转发器，该主环信号转发器把该信号转发给其主环光纤发送器，并通过光纤传送到光纤环路下一节点B的主环光纤接收器，由其主环光纤选择器再把信号发送给该节点的主环信号转发器，节点B的主环信号转发器把该信号传送给节点B的CAN接口，同时转发给节点B的主环光纤发送器，该主环光纤发送器通过光纤把信号发送给光纤环路下一节点C的主环光纤接收器3C，以此类推，光纤环路中所有节点都收到该数据帧信号，并且又把信号传送到节点A的主环信号转发器，节点A的主环信号转发器不再对该信号转发，以免网络陷入死锁状态。综上所述，在正常状态下，网络处于主环工作模式，每个CAN节点的主环光纤接收器、主环信号选择器、主环信号转发器、主环光纤发送器和主环光纤构成了工作环路。此时副环则处于备用状态，副环信号选择器9周期性地在主环信号转发器7和副环光纤接收器6的输出信号之间来回切换，选择其中一路信号发送给副环光纤发送器5，由于副环上的信号不被转发到CAN接口2上，因此不对工作环路造成影响。

假设在节点A和节点B之间的光纤a和e发生故障，节点A的副环光纤接收器6A在给定时间窗内无法接收到信号，节点A的主环信号转发器的输出被选通作为副环光纤发送器的输入；节点B的主环光纤接收器3B在给定时间窗内无法接收到信号，节点B的副环光纤接收器6B的输出被选通作为主环信号转发器的输入；与此同时，节点C、D的主环光纤接收器的输出被选通作为主环信号转发器的输入，主环信号转发器的输出被选通作为主环光纤发送器的输入，副环光纤接收器的输出被选通作为副环光纤发送器的输入；这样，一条新的光纤自愈环自动生成，使得整个网络继续正常通信。当A、B之间的故障排除后，网络又恢复到主环工作模式。

图3给出了主环信号转发器7的结构，该主环信号转发器包括两个或门11、14，两个非门12、16，以及两个延时模块13、15。延时模块13、15包括一个数据输入端、时钟端和一个数据输出端，时钟端接时钟发生器10，其功能为：当数据输入端信号从高电平信号跳变为低电平信号时，其数据输出端延迟一段时间才跳变为低电平信号，在其它情况下，其数据输出端信号与数据输入端一致。该模块可用计数器和JK触发器电路实现。

CAN接口的发送端直接连接到主环光纤发送器4，并连接到第一或门11的输入端，第一或门11的输入端连接到第二非门16的输出端，其输出端连接到第一非门12的输入端，第一非门12的输出端连接到第一延时模块13的输入端，第一延时模块的输入端连接到时钟发生器10，其输出端连接到第二或门14的输入端，第二或门14的输入端连接到主环信号选择器8，输出端连接到第二延时模块15的输入端，第二延时模块15的另一输入端连接到时钟发生器10，其输出端连接到第二非门16的输入端，第二非门16的输出端输出到第一或门11的输入端。

CAN总线的数据帧采用非归零编码，一个数据位的电平要么是显性电平，要么是隐性电平，在总线空闲时，处于隐性电平。在所有器件都没有传输延迟的理想情况下，只要把CAN接口2的发送端和接收端分别与光纤发送器、光纤接收器相连，就能使一个节点发送的数据帧能被光纤环路上的其它节点正确接收到。但在实际情况下，光纤环路传输存在延迟，一个发送节点发出的显性位信号经过一段延迟后通过环路又被发送节点接收到，如果发送节点继续对这一信号进行转发，CAN总线上的所有节点将都被锁定在显性位而无法继续传输信号，从而导致系统瘫痪。主环信号转发器7正是为了克服上述问题而设计的，其基本方法是当节点发送一个显性电平时，关闭其接收回路，在发送完显性位并延迟一段时间后重新打开接收电路。该延迟时间Td根据光纤环路延迟时间设定。

在本发明中，CAN总线的显性电平对应TTL低电平，隐性电平对应TTL高电平。设CAN节点在T0时刻发送一低电平信号，该低电平信号持续时间为Tb，光纤环路延迟时间为Td，在实际情况中，Td远小于Tb。主环信号转发器7要保证从T0时刻到T0+Tb+Td时刻，CAN接口2的接收端始终是高电平。

在T0时刻，CAN接口2的发送端为低电平，接收端为高电平，发送端信号被输出到主环光纤发送器4并发送给下一节点，此时或门11的两个输入端都为低电平，其输出端也为低电平，该信号通过非门12变为高电平，再经过延时模块13输出到或门14的第一输出端，使得或门14的输出端为高电平，由于或门14的输出端与CAN接口2的接收端直接相连，因此CAN接口2的接收端保持为高电平。

在T0+Td时刻，CAN接口2发送的低电平信号在光纤环路传输一周后又由主环信号选择器8输出到或门14的第二输入端。但由于或门14的第一输入端为高电平，其输出端仍为高电平，因此CAN接口2的接收端仍保持为高电平。

在T0+Tb时刻，CAN接口2的发送端由低电平变为高电平，由于传输延迟的存在，主环信号选择器8的输出要经过Td时间后才能由低电平变为高电平。此时非门12的输出变为低电平，由于延时模块13的作用，延时模块13的输出端在经过Td时间后才变为低电平，或门14的第一输入端为高电平，第二输入端为低电平，输出端为高电平，CAN接口2的接收端仍保持为高电平。

在T0+Tb+Td时刻，传输主环信号选择器8的输出变为高电平，延时模块13的输出端变为低电平，或门14的第一输入端为低电平，第二输入端为高电平，输出端为高电平，CAN接口2的接收端仍保持为高电平。CAN接口2发送的低电平信号已被其它节点收到，同时由于CAN接口2的接收端一直保持为高电平，该低电平信号在光纤环路上传输一周后没有继续转发下去造成网络死锁。

而当CAN节点没有发送数据帧时，或门14的第一输入端保持为低电平，因此来自主环信号选择器8的信号可以通过或门14输出到CAN接口2的接收端，CAN接口2自动把其中的显性电平信号转发到其发送端，并通过主环光纤发送器4发送到下一节点，其中延时模块15用于补偿传输延迟，参数与作用与延时模块13相同。

图4给出了主环信号选择器8的内部结构，主环信号选择器8连接在主环光纤接收器3、副环光纤接收器6、主环信号转发器7、时钟发生器10之间，包括定时器17、选通控制器18、选通器19。

定时器17的输入端与时钟发生器10相连接，另一输入端与主环光纤接收器3相连接，其输出端与选通控制器18的输入端相连。当定时器17每隔一给定时间在其输出端产生一溢出脉冲信号。其与主环光纤接收器3相连的输入端有脉冲信号时，定时器17被复位。定时器17可用计数器电路实现。

选通控制器18通过检测输入端信号控制选通器19的输出，第一输入端与定时器17的输出端相连接，第二输入端与主环光纤接收器3相连接，其输出端与选通器19的第三输入端相连接。其输出端受其二个输入端的控制而输出高电平或低电平，当第一输入端有脉冲信号输入时，其输出端输出高电平，当第二输入端有脉冲信号输入时，其输出端输出低电平，系统设计保证了二个输入端不会同时产生脉冲信号。选通控制器18可用D触发器电路实现，第一输入端即定时器17的输出端接到D触发器的清零端，第二输入端经过非门后接到D触发器的时钟端，D触发器的数据端D直接接高电平，D触发器的输出端作为选通控制器18的输出端。

选通器19用于实现在两路输出信号中选通一路作为输出信号，其第一输入端与主环光纤接收器3相连接、第二输入端与副环光纤接收器6相连接，第三输入端与选通控制器18的输出端相连接，其输出端与主环信号转发器7相连接。第三输入端为选通控制段，当其为低电平时第一输入端的信号被选通输出到与主环光纤接收器3相连的第一输出端，当其为高电平时第二输入端的信号被选通输出到与副环光纤接收器6相连的第二输出端。选通器19可以用2选1数据选择器电路如74HCT257或可编程器件实现。

当主环光纤接收器3有信号输出时，该信号通过选通控制器18的输出端选通主环光纤接收器3信号作为选通器19的输出信号，同时，该信号对定时器17清零，当在给定时间窗内未检测到主环光纤接收器6的输出信号，定时器17的输出端产生溢出信号，该信号通过选通控制器18的输出端选通副环光纤接收器6信号作为选通器19的输出信号。

选通控制器18和选通器19可以用分立数字逻辑电路实现，也可以在一片可编程逻辑器件中实现。

副环信号选择器9，连接在副环光纤接收器6、主环信号转发器7、副环光纤发送器5、时钟发生器10之间，副环信号选择器9的结构与功能与主环信号选择器类同。

上述叙述给出了本发明的一个具体实施方式，其逻辑的实现可以有多种方式，本领域的技术人员可根据实际情况选择合适的实现方式。