專利名稱：一種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息技術(shù)與自動(dòng)化領(lǐng)域的信息處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一 種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，能夠廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、煤礦等特殊環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，是利用分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊 系統(tǒng)，適用于機(jī)場(chǎng)或煤礦等環(huán)境下的全局監(jiān)控監(jiān)測(cè)過程。
背景技術(shù)：
在煤礦、機(jī)場(chǎng)等特殊應(yīng)用環(huán)境中，由于存在現(xiàn)場(chǎng)范圍廣，傳輸距離和 數(shù)據(jù)量大，電磁干擾嚴(yán)重等嚴(yán)苛問題，要求現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)不僅要具有很高 的實(shí)時(shí)性，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離大數(shù)據(jù)量傳輸，而且要具有很強(qiáng)的抗電磁干擾 能力和防爆能力。
目前，現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)主要包括各種現(xiàn)場(chǎng)總線，工業(yè)以太網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò) 等?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)一般采用短幀格式發(fā)送報(bào)文，在面對(duì)大數(shù)據(jù)量、遠(yuǎn) 距離傳輸?shù)囊髸r(shí)，往往顯得能力不足。同時(shí)總線式結(jié)構(gòu)使得所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備都掛接在一條總線上， 一旦總線上某點(diǎn)發(fā)生故障或者斷開，那么整個(gè)系 統(tǒng)將陷入癱瘓。 工業(yè)以太網(wǎng)采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)(Carrier Sense Multiple Access/CollisionDerect， CSMA/CD)的介質(zhì)訪問方式，通信具有隨機(jī)性和 不確定性，不能保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，同時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)也采用總線式結(jié) 構(gòu)，具有和現(xiàn)場(chǎng)總線同樣的安全隱患。
無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離有限，高速度的傳輸也只限在一定的范圍內(nèi)，同 時(shí)建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)立基站或者接入點(diǎn)，這在一定程度上增加了系統(tǒng)成 本。
為此有必要設(shè)計(jì)一種新型的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，適應(yīng)于機(jī)場(chǎng)、煤礦等 特殊應(yīng)用環(huán)境，能夠提供遠(yuǎn)距離高速率的信息傳輸，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗電 磁干擾能力和安全防爆能力。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是在已有的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的技術(shù)基 礎(chǔ)上提供一種適用于機(jī)場(chǎng)、煤礦等特殊應(yīng)用環(huán)境的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系 統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾屎蛯?shí)時(shí)性，能夠在較遠(yuǎn)的距離上仍保證數(shù)據(jù) 高速實(shí)時(shí)傳輸，在強(qiáng)電磁干擾的情況下仍能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行信息傳輸，同 時(shí)在煤礦等高危險(xiǎn)性環(huán)境中具有較強(qiáng)的安全防爆能力，提高對(duì)這些特殊工 作環(huán)境中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控監(jiān)測(cè)能力。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)
采用分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在CAN總線基礎(chǔ)上由多個(gè)光纖現(xiàn)場(chǎng)總線 通訊裝置通過光纖相互連接而成。
上述方案中，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置包括
兩個(gè)單模光模塊，分別連接于現(xiàn)場(chǎng)總線控制板，作為光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通 訊裝置的輸入端或輸出端，同時(shí)該單模光模塊用于連接兩個(gè)相鄰的光纖現(xiàn) 場(chǎng)總線通訊裝置，實(shí)現(xiàn)光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)
構(gòu)；
一現(xiàn)場(chǎng)總線控制板，包括物理層模塊、數(shù)據(jù)鏈路層模塊和傳輸方式控 制模塊，其中物理層模塊包括復(fù)雜可編程邏輯器件(CoplexProgrammable Logic Device, CPLD)、光模塊、有源晶振和電源模塊，數(shù)據(jù)鏈路層模塊 包括CAN控制器，傳輸方式控制模塊包括兩個(gè)接口和四種傳輸方式，其
中三種傳輸方式為有效控制方式；
一ARM (Advanced RISC Machines)控制主板，該ARM控制主板基 于ARM9處理器和嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括ARM9微處理器、RS232 接口和PC104接口 ， ARM控制主板采用PC104插針與現(xiàn)場(chǎng)總線控制板進(jìn) 行數(shù)據(jù)通信，采用RS232接口與控制臺(tái)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；以及
一控制臺(tái)主機(jī)，采用RS232接口與ARM控制主板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí) 現(xiàn)控制臺(tái)主機(jī)對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控與通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。上述方案中，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置通過光纖相互連接成環(huán)形網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用光信號(hào)的頻率的高低代表高低電平，通過現(xiàn)場(chǎng)總線控制 板上的傳輸方式控制模塊來選擇節(jié)點(diǎn)傳輸方式，通過單模光模塊完成上層 數(shù)字信號(hào)和光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，通過可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路 層和物理層協(xié)議的轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)鏈路層模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議和物理層協(xié)
議之間的轉(zhuǎn)換，通過ARM控制主板實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，完成上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)
設(shè)備之間的通訊。
上述方案中，所述單模光模塊是lx9單模收發(fā)一體模塊，每個(gè)單模光
模塊具有兩根單模光纖，采用光纖作為信息傳輸媒介，采用光信號(hào)作為信 息傳輸載體。
上述方案中，所述單模光模塊只能傳輸一種模式的光信號(hào)，并且只能 傳輸高頻信號(hào)，采用的信息載體為高頻光信號(hào)作為顯性信號(hào)，低頻光信號(hào) 作為隱性信號(hào)。
上述方案中，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置采用分布式環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)， 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r并通過傳輸方式控制模塊選擇相應(yīng)節(jié)點(diǎn)采用單向傳輸 方式或雙向傳輸方式，在某個(gè)節(jié)點(diǎn)或某個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都出現(xiàn)故障 時(shí)，通過改變傳輸方向來保證整個(gè)通訊裝置的正常運(yùn)行。
上述方案中，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的物理層協(xié)議由CPLD及單 模光模塊來實(shí)現(xiàn)，具體包括通過單模光模塊將上一節(jié)點(diǎn)傳來的高低頻率 光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入CPLD，通過CPLD內(nèi)部組合邏輯 和時(shí)序邏輯將有用信息分析出來并傳給本地節(jié)點(diǎn)，完成解調(diào)過程；通過 CPLD內(nèi)部的組合邏輯和時(shí)序邏輯將本地節(jié)點(diǎn)的有用信息轉(zhuǎn)換成不同頻率 的數(shù)字信號(hào)，并通過單模光模塊將不同頻率的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的 光信號(hào)，完成調(diào)制過程。
上述方案中，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的數(shù)據(jù)鏈路層由CAN控制 器來實(shí)現(xiàn)，具體包括CPLD解調(diào)后的信息通過CAN控制器傳輸?shù)奖镜?節(jié)點(diǎn)的ARM控制器中，同時(shí)本地控制器的信息通過CAN控制器傳送到 CPLD中進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)物理層與應(yīng)用層之間的連接。
上述方案中，所述ARM控制主板包括ARM微處理器、RS232接口 和PC104接口 通過RS232接口實(shí)現(xiàn)ARM處理器和控制臺(tái)主機(jī)的互聯(lián)，完成對(duì)ARM處理器的初始化、上下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊及控制臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)
設(shè)備的監(jiān)控；通過PC104插針實(shí)現(xiàn)ARM控制主板和現(xiàn)場(chǎng)總線控制板之間 的通訊，應(yīng)用層信息通過PC104插針發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線控制板上的數(shù)據(jù)鏈路 層模塊，同時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層模塊的信息也通過PC104插針發(fā)送到ARM控制 主板，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的信息交換。
上述方案中，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的應(yīng)用層協(xié)議是基于 CAN2.0B總線實(shí)現(xiàn)的，并在CAN總線報(bào)文格式的基礎(chǔ)上通過對(duì)擴(kuò)展幀中 的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行重定義來提高報(bào)文的利用率，從而提高總線傳輸速率；或者 在CAB總線報(bào)文格式的基礎(chǔ)上通過定義管道位實(shí)現(xiàn)多線程通訊，從而提 高信息的傳輸速率，防止網(wǎng)絡(luò)阻塞；通過定義幀號(hào)和設(shè)置位圖的方法，實(shí) 現(xiàn)報(bào)文的分割和重組，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確度，進(jìn)一步提高信息傳輸速率。
(三)有益效果 從上述方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明提供的這種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，采用分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并能夠進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳輸方向的自由選擇，提高了整個(gè)通訊系統(tǒng)的 安全性，可以防止因某個(gè)節(jié)點(diǎn)或某個(gè)區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)故障造成整個(gè)系統(tǒng)的 癱瘓。
2、 本發(fā)明提供的這種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，使用光纖作為信息傳 輸?shù)拿浇椋粌H提高了傳輸速率，而且提高了系統(tǒng)抗電磁干擾能力和安全 防爆能力。
3、 本發(fā)明提供的這種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，使用CPLD實(shí)現(xiàn)信號(hào) 電平轉(zhuǎn)換的時(shí)序邏輯和組合邏輯，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
4、 本發(fā)明提供的這種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，在CAN2.0B總線報(bào)文 格式的基礎(chǔ)上，通過對(duì)擴(kuò)展幀標(biāo)識(shí)符進(jìn)行重定義、定義管到位、定義幀號(hào) 和設(shè)置位圖提高了整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的傳輸速率。


圖1是本發(fā)明提供的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明提供的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的CPLD中邏輯電平轉(zhuǎn)換及傳輸方式控制原理圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，是適用于機(jī)場(chǎng)或煤礦等環(huán)境下的全 局監(jiān)控監(jiān)測(cè)過程中的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，采用分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)
構(gòu)，在CAN總線基礎(chǔ)上由多個(gè)光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置通過光纖相互連接
而成o
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖，此處只示出了其中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
用于構(gòu)成本發(fā)明光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置包
括兩個(gè)單模光模塊、 一現(xiàn)場(chǎng)總線控制板、一ARM控制主板和一控制臺(tái)主 機(jī)，其中
兩個(gè)單模光模塊，即圖1中光模塊1和光模塊2，分別連接于現(xiàn)場(chǎng)總 線控制板，作為光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的輸入端或輸出端，同時(shí)該單模光 模塊用于連接兩個(gè)相鄰的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置，實(shí)現(xiàn)光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊 系統(tǒng)的分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
一現(xiàn)場(chǎng)總線控制板，包括物理層模塊、數(shù)據(jù)鏈路層模塊和傳輸方式控 制模塊，其中物理層模塊包括可編程邏輯器件CPLD、光模塊、有源晶振 和電源模塊，數(shù)據(jù)鏈路層模塊包括CAN控制器，傳輸方式控制模塊包括 兩個(gè)接口和四種傳輸方式，其中三種傳輸方式為有效控制方式。
一 ARM控制主板，該ARM控制主板基于ARM9處理器和嵌入式操 作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括ARM9微處理器、RS232接口和PC104接口， ARM控 制主板采用PC104插針與現(xiàn)場(chǎng)總線控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用RS232接 口與控制臺(tái)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。以及
一控制臺(tái)主機(jī)，采用RS232接口與ARM控制主板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí) 現(xiàn)控制臺(tái)主機(jī)對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控與通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。
光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置通過光纖相互連接成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用 光信號(hào)的頻率的高低代表高低電平，通過現(xiàn)場(chǎng)總線控制板上的傳輸方式控制模塊來選擇節(jié)點(diǎn)傳輸方式，通過單模光模塊完成上層數(shù)字信號(hào)和光信號(hào) 之間的轉(zhuǎn)換，通過可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議的 轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)鏈路層模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議和物理層協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，通
過ARM控制主板實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，完成上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通訊。 單模光模塊是lx9單模收發(fā)一體模塊，每個(gè)單模光模塊具有兩根單模
光纖，采用光纖作為信息傳輸媒介，采用光信號(hào)作為信息傳輸載體。單模 光模塊只能傳輸一種模式的光信號(hào)，并且只能傳輸高頻信號(hào)，采用的信息
載體為高頻光信號(hào)(如25MHz)作為顯性信號(hào)，低頻光信號(hào)(如lMHz) 作為隱性信號(hào)。
光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置采用分布式環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r 并通過傳輸方式控制模塊選擇相應(yīng)節(jié)點(diǎn)采用單向傳輸方式或雙向傳輸方 式，在某個(gè)節(jié)點(diǎn)或某個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都出現(xiàn)故障時(shí)，通過改變傳輸方 向來保證整個(gè)通訊裝置的正常運(yùn)行。
光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的物理層協(xié)議由CPLD及單模光模塊來實(shí)現(xiàn)， 具體包括通過單模光模塊將上一節(jié)點(diǎn)傳來的高低頻率光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 頻率的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入CPLD，通過CPLD內(nèi)部組合邏輯和時(shí)序邏輯將有用 信息分析出來并傳給本地節(jié)點(diǎn)，完成解調(diào)過程；通過CPLD內(nèi)部的組合邏 輯和時(shí)序邏輯將本地節(jié)點(diǎn)的有用信息轉(zhuǎn)換成不同頻率的數(shù)字信號(hào)，并通過 單模光模塊將不同頻率的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的光信號(hào)，完成調(diào)制過 程。
光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的數(shù)據(jù)鏈路層由CAN控制器來實(shí)現(xiàn)，具體包 括CPLD解調(diào)后的信息通過CAN控制器傳輸?shù)奖镜毓?jié)點(diǎn)的ARM控制器 中，同時(shí)本地控制器的信息通過CAN控制器傳送到CPLD中進(jìn)行調(diào)制， 實(shí)現(xiàn)物理層與應(yīng)用層之間的連接。
ARM控制主板包括ARM微處理器、RS232接口和PC104接口通 過RS232接口實(shí)現(xiàn)ARM處理器和控制臺(tái)主機(jī)的互聯(lián)，完成對(duì)ARM處理 器的初始化、上下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊及控制臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控；通過 PC104插針實(shí)現(xiàn)ARM控制主板和現(xiàn)場(chǎng)總線控制板之間的通訊，應(yīng)用層信 息通過PC104插針發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線控制板上的數(shù)據(jù)鏈路層模塊，同時(shí)數(shù)據(jù) 鏈路層模塊的信息也通過PC104插針發(fā)送到ARM控制主板，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的信息交換。
光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的應(yīng)用層協(xié)議是基于CAN2.0B總線實(shí)現(xiàn)的， 并在CAN總線報(bào)文格式的基礎(chǔ)上通過對(duì)擴(kuò)展幀中的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行重定義來 提高報(bào)文的利用率，從而提高總線傳輸速率；或者在CAB總線報(bào)文格式 的基礎(chǔ)上通過定義管道位實(shí)現(xiàn)多線程通訊，從而提高信息的傳輸速率，防 止網(wǎng)絡(luò)阻塞；通過定義幀號(hào)和設(shè)置位圖的方法，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的分割和重組， 保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確度，進(jìn)一步提高信息傳輸速率。
再參照?qǐng)D1，光模塊1或光模塊2的光纖部分作為信息傳輸?shù)拿浇椋?其它部分和CPLD組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制板的物理層模塊；現(xiàn)場(chǎng)總線控制板主 要包括物理層模塊和數(shù)據(jù)鏈路層模塊，其中物理層模塊由CPLD和光模塊 組成，主要負(fù)責(zé)信息的調(diào)制和解調(diào)、數(shù)字信號(hào)和光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，完成 數(shù)據(jù)鏈路層和光纖之間的信息傳輸;ARM控制主板主要包括ARM微處理 器、PC104接口和RS232接口，完成應(yīng)用層與數(shù)據(jù)鏈路層、ARM控制主 板與控制臺(tái)主機(jī)之間的信息連接。
CAN控制器通過兩個(gè)端口與CPLD進(jìn)行連接，分別是接收端口 RX、 發(fā)送端口 TX; CPLD通過TX1、 RX1與光模塊1進(jìn)行連接，通過TX2、 RX2與光模塊2進(jìn)行連接。光模塊1的發(fā)送端口 TX與相鄰節(jié)點(diǎn)的光模塊 2的接收端口 RX相連接，光模塊1的接收端口 RX與相鄰節(jié)點(diǎn)的光模塊2 的發(fā)送端口TX相連接，依次類推，各節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。
從主控臺(tái)發(fā)出的信息通過RS232接口傳輸?shù)紸RM控制主板，經(jīng)過 PC104插針發(fā)送到CAN控制器，CAN控制器通過TX端口將信息發(fā)送到 CPLD中，CPLD中的邏輯轉(zhuǎn)換，信息將被調(diào)制到具有不同頻率的數(shù)字信 號(hào)上，然后經(jīng)過CPLD的TX1或TX2發(fā)送到相應(yīng)的光模塊并轉(zhuǎn)換成光信 號(hào)發(fā)送到下一節(jié)點(diǎn)，選擇TX1還是TX2取決于傳輸方式控制模塊。
如果從上一節(jié)點(diǎn)傳來的光信號(hào)通過光模塊1的RX1進(jìn)入光模塊，并 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過CPLD的解調(diào)，得到有用信息。根據(jù)本 地節(jié)點(diǎn)的傳輸方式控制模塊的設(shè)置，選擇信息是通過光模塊1的TX1傳送 到下一節(jié)點(diǎn)還是通過光模塊2的TX2傳送到下一節(jié)點(diǎn)。
本地節(jié)點(diǎn)的ARM控制主板得到相應(yīng)信息，并通過RS232將信息發(fā)送 給控制臺(tái)，完成一次完整的通訊。圖1的工作原理如下光模塊1向右連接到下一相鄰節(jié)點(diǎn)的光模塊，光模塊2向左連接到下一相鄰節(jié)點(diǎn)的光模塊，這樣分布在現(xiàn)場(chǎng)的各節(jié)點(diǎn)通過光纖形成雙向環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌还饽K1將從上一節(jié)點(diǎn)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)
換成相應(yīng)頻率的數(shù)字信號(hào)，送給CPLD， CPLD通過解調(diào)，分析出加載在數(shù)字信號(hào)上的頻率信息并將其轉(zhuǎn)換成有用信息；根據(jù)傳輸方式的設(shè)置情況，選擇將信息通過光模塊1的發(fā)送端發(fā)送還是通過光模塊2的發(fā)送端發(fā)送給下一節(jié)點(diǎn)，從光模塊2傳來的光信號(hào)具有同樣的傳輸過程;經(jīng)過CPLD解調(diào)后的信號(hào)通過CPLD上的RX端口向上傳送給CAN控制器；CAN控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)幀格式的轉(zhuǎn)換后，通過PC104接口傳送給ARM控制主板，最后通過RS232接口和控制臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；從控制臺(tái)向下發(fā)送的信息經(jīng)過相反的過程到達(dá)CPLD，并經(jīng)過CPLD的調(diào)制后發(fā)送給相應(yīng)的光模塊。
圖2是本發(fā)明提供的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的CPLD中邏輯電平轉(zhuǎn)換及傳輸方式控制原理圖。圖中RX、 TX為CPLD與CAN控制器之間的接口，通過這兩個(gè)接口實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)與控制臺(tái)主機(jī)之間的通訊；RX1、 TX1、RX2、 TX2分別為光模塊1和光模塊2與CPLD之間的接口，通過它們實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的通訊；Rl、 Tl、 R2、 T2為經(jīng)過CPLD調(diào)制或解調(diào)后的信號(hào)；M0、 Ml為傳輸方式控制接口。
圖2的工作原理如下從光模塊1傳來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過RX1進(jìn)入CPLD的控制邏輯進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，解調(diào)的原理是如果RX1是25MHz的高頻信號(hào)，則Rl為高電平信號(hào)，如果RX1為lMHz或者更低頻率的信號(hào)，則R1為低電平信號(hào)；經(jīng)過組合邏輯，將R1傳送給CAN控制器及上層控制板;上層控制傳來的信息經(jīng)過RX傳送到CPLD中，根據(jù)傳輸方式控制模塊的設(shè)置，R1或R2得到RX的值(即選擇節(jié)點(diǎn)信息是經(jīng)過光模塊1還是光模塊2傳輸)如果RX為高電平，則TX1或TX2為25MHz高頻信號(hào)，反之則為lMHz低頻信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過光模塊的信號(hào)轉(zhuǎn)換變成光信號(hào)通過光纖傳送到相鄰節(jié)點(diǎn)；M0、 Ml為傳輸方式控制模塊的接口，如果二者同為低電平，則信息可以雙向傳輸，即從光模塊1接收到的信息通過光模塊2發(fā)送出去，從光模塊2接收到的信息通過光模塊l發(fā)送出去，如果M0為低電平，Ml為高電平，則信息只通過光模塊l接收或發(fā)送，如果M0為高電平，Ml為低電平，則信息只通過光
模塊2接收或發(fā)送，這樣通過兩個(gè)端口就實(shí)現(xiàn)了不同傳輸方式之間的自由
切換，保證了整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的安全。
本發(fā)明采用分布式雙向環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M成了光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在機(jī)場(chǎng)、煤礦等特殊環(huán)境下的實(shí)時(shí)通訊與監(jiān)控。本發(fā)明與普通現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)相比具有更高的穩(wěn)定性，在遠(yuǎn)距離傳輸上有更高的速率，同時(shí)具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力和安全防爆能力，能夠適應(yīng)機(jī)場(chǎng)、煤礦等特殊現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
本發(fā)明是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)，采用分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通
過RS232接口實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸，通過光纖將各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與控制臺(tái)主機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)采用分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在CAN總線基礎(chǔ)上由多個(gè)光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置通過光纖相互連接而成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置包括兩個(gè)單模光模塊，分別連接于現(xiàn)場(chǎng)總線控制板，作為光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通 訊裝置的輸入端或輸出端，同時(shí)該單模光模塊用于連接兩個(gè)相鄰的光纖現(xiàn) 場(chǎng)總線通訊裝置，實(shí)現(xiàn)光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)的分布式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；一現(xiàn)場(chǎng)總線控制板，包括物理層模塊、數(shù)據(jù)鏈路層模塊和傳輸方式控制模塊，其中物理層模塊包括復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD、光模塊、有源 晶振和電源模塊，數(shù)據(jù)鏈路層模塊包括CAN控制器，傳輸方式控制模塊 包括兩個(gè)接口和四種傳輸方式，其中三種傳輸方式為有效控制方式；一ARM控制主板，該ARM控制主板基于ARM9處理器和嵌入式操 作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括ARM9微處理器、RS232接口和PC104接口， ARM控 制主板采用PC104插針與現(xiàn)場(chǎng)總線控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用RS232接 口與控制臺(tái)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；以及一控制臺(tái)主機(jī)，采用RS232接口與ARM控制主板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí) 現(xiàn)控制臺(tái)主機(jī)對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控與通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所 述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置通過光纖相互連接成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用光 信號(hào)的頻率的高低代表高低電平，通過現(xiàn)場(chǎng)總線控制板上的傳輸方式控制 模塊來選擇節(jié)點(diǎn)傳輸方式，通過單模光模塊完成上層數(shù)字信號(hào)和光信號(hào)之 間的轉(zhuǎn)換，通過可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議的轉(zhuǎn) 換，通過數(shù)據(jù)鏈路層模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議和物理層協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，通過 ARM控制主板實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，完成上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通訊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所 述單模光模塊是1x9單模收發(fā)一體模塊，每個(gè)單模光模塊具有兩根單模光纖，采用光纖作為信息傳輸媒介，采用光信號(hào)作為信息傳輸載體。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所 述單模光模塊只能傳輸一種模式的光信號(hào)，并且只能傳輸高頻信號(hào)，采用 的信息載體為高頻光信號(hào)作為顯性信號(hào)，低頻光信號(hào)作為隱性信號(hào)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置采用分布式環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r并 通過傳輸方式控制模塊選擇相應(yīng)節(jié)點(diǎn)采用單向傳輸方式或雙向傳輸方式， 在某個(gè)節(jié)點(diǎn)或某個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都出現(xiàn)故障時(shí)，通過改變傳輸方向來 保證整個(gè)通訊裝置的正常運(yùn)行。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所 述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的物理層協(xié)議由CPLD及單模光模塊來實(shí)現(xiàn)，具 體包括-通過單模光模塊將上一節(jié)點(diǎn)傳來的高低頻率光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率 的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入CPLD，通過CPLD內(nèi)部組合邏輯和時(shí)序邏輯將有用信息 分析出來并傳給本地節(jié)點(diǎn)，完成解調(diào)過程；通過CPLD內(nèi)部的組合邏輯和 時(shí)序邏輯將本地節(jié)點(diǎn)的有用信息轉(zhuǎn)換成不同頻率的數(shù)字信號(hào)，并通過單模 光模塊將不同頻率的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的光信號(hào)，完成調(diào)制過程。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所 述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的數(shù)據(jù)鏈路層由CAN控制器來實(shí)現(xiàn)，具體包括:CPLD解調(diào)后的信息通過CAN控制器傳輸?shù)奖镜毓?jié)點(diǎn)的ARM控制器 中，同時(shí)本地控制器的信息通過CAN控制器傳送到CPLD中進(jìn)行調(diào)制， 實(shí)現(xiàn)物理層與應(yīng)用層之間的連接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所 述ARM控制主板包括ARM微處理器、RS232接口和PC104接口通過 RS232接口實(shí)現(xiàn)ARM處理器和控制臺(tái)主機(jī)的互聯(lián)，完成對(duì)ARM處理器 的初始化、上下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊及控制臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控；通過 PC104插針實(shí)現(xiàn)ARM控制主板和現(xiàn)場(chǎng)總線控制板之間的通訊，應(yīng)用層信 息通過PC104插針發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線控制板上的數(shù)據(jù)鏈路層模塊，同時(shí)數(shù)據(jù) 鏈路層模塊的信息也通過PC104插針發(fā)送到ARM控制主板，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層 和數(shù)據(jù)鏈路層之間的信息交換。
10、根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊裝置的應(yīng)用層協(xié)議是基于CAN2.0B總線實(shí)現(xiàn)的，并 在CAN總線報(bào)文格式的基礎(chǔ)上通過對(duì)擴(kuò)展幀中的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行重定義來提 高報(bào)文的利用率，從而提高總線傳輸速率；或者在CAB總線報(bào)文格式的基礎(chǔ)上通過定義管道位實(shí)現(xiàn)多線程通訊，從 而提高信息的傳輸速率，防止網(wǎng)絡(luò)阻塞；通過定義幀號(hào)和設(shè)置位圖的方法， 實(shí)現(xiàn)報(bào)文的分割和重組，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確度，進(jìn)一步提高信息傳輸速 率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，涉及自動(dòng)化信息處理技術(shù)領(lǐng)域，是適應(yīng)于煤礦、機(jī)場(chǎng)等特殊工礦業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用特定通訊方法的一種通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單模光模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線通訊板和ARM控制主板組成，通過光模塊進(jìn)行光信號(hào)的傳輸及各通訊節(jié)點(diǎn)之間的信息連接；通過現(xiàn)場(chǎng)總線通訊板實(shí)現(xiàn)通訊裝置的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)，以及上下層數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換；通過ARM控制主板實(shí)現(xiàn)通訊裝置的應(yīng)用層協(xié)議，進(jìn)行通信協(xié)議、幀格式等的編制。該光纖現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)適用于煤礦、機(jī)場(chǎng)等特殊環(huán)境中，具有通訊速率高、距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于減少煤礦、機(jī)場(chǎng)等的安全事故，保障控制臺(tái)與各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通訊有重要作用。
文檔編號(hào)H04B10/20GK101677280SQ20081022233
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者恩 李, 楊國(guó)棟, 梁自澤, 范長(zhǎng)春, 民 譚 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所