專利名稱：具有故障探測自動容錯功能的光電中繼器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于物理層的信號中繼設備，尤其涉及一種用于計算機網絡或者自動化系統的現場總線網絡中的具有故障探測自動容錯功能的光電中繼器，背景技術中繼器作為一種非常重要的網絡部件，主要用于信號的再生交換，以拓展網絡范圍。由于網絡標準及網絡介質的多樣性，中繼器的種類很多。
目前已有的中繼器中，有些具有智能緩沖功能，但滯后很大，能級聯的中繼器個數有限。有一些也具有故障探測與自動容錯功能，但是它們中一部分只能用于電介質網絡中，另外有一部分則只用于對光信號的中繼，并且信號衰減嚴重，適應性不強。其中有些可以用于電纜與光纖混合的網絡中，但它們探測故障的方式一般都是在網絡中發送額外的故障探測信號，這增加了網絡的開銷，降低了效率。同時，現有的中繼器時延都比較大，由于網絡協議大都對數據包到達的時間有限制，如果中繼器引入的時延過大，則勢必會影響可以級連的中繼器個數，網絡的擴展范圍受到限制。
總的來說，現有的中繼器存在如下的一些缺點1、現有中繼器所能構成的拓撲結構都比較單一，不能滿足靈活組網的要求；2、由電中繼器組成的電纜網絡系統保密性差，抗干擾能力弱，只能用于短距離傳輸；3、有一部分光電中繼器，可以用于光纖與電纜混合網絡中，但每個中繼器只能連接一個網絡終端設備，成本較高；4、實現故障探測的方式是在網絡中發送額外的故障探測信號，增加了網絡的開銷，降低了效率；5、中繼器引入的時延比較大，在網絡協議對數據包的到達時限有要求的情況下，可以級聯的中繼器個數很少，擴展范圍不大。

發明內容
針對現有中繼器存在的這些缺點，本實用新型提供了一種用于光纖和電纜混合網絡中能夠靈活構成總線型、星型及環型拓撲結構的具有故障探測自動容錯功能的光電中繼器。
本實用新型的技術措施是具有故障探測自動容錯功能的光電中繼器，包括電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)、光纖端口驅動電路(3)、光電轉換電路(4)、時鐘發生電路(5)、波特率跳線設置電路(6)和LED指示燈電路(7)；所述的光纖端口驅動電路(3)、光電轉換電路(4)通過數據線雙向連接；其特點是，還包括一信號整形與交換處理模塊(1)，所述的信號整形與交換處理模塊(1)通過數據線分別與電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)、光纖端口驅動電路(3)、光電轉換電路(4)雙向連接，該信號整形與交換處理模塊(1)的輸入端連接時鐘發生電路(5)和波特率跳線設置電路(6)，其輸出端連接LED指示燈電路(7)。
上述故障探測自動容錯型光電中繼器，其中，所述的的信號整形與交換處理模塊(1)由復雜可編程邏輯器件實現，其包括有效信號到達探測及通道選擇電路(11)、信號整形再生模塊(12)、故障探測模塊(13)、狀態寄存器(14)和輸出通道選擇電路(15)；所述的有效信號到達探測及通道選擇電路(11)的輸入端分別連接電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)、光纖端口驅動電路(3)的輸出信號，其輸出信號分別傳輸到信號整形再生模塊(12)和狀態寄存器(14)；所述的信號整形再生模塊(12)的輸出信號連接到輸出通道選擇電路(15)的輸入端；所述的故障探測模塊(13)的輸入端連接光纖端口驅動電路(3)的輸出信號，其輸出信號傳輸到信號整形再生模塊(12)；所述的信號整形再生模塊(12)將接收的有效信號到達探測及通道選擇電路(11)和故障探測模塊(13)的輸出信號進行整形后分兩路輸出，一路輸出到電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)的輸入端，另一路到輸出通道選擇電路(15)；所述的輸出通道選擇電路(15)的輸出信號分別連接到兩個光纖端口驅動電路(3)和RS485電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)。
上述故障探測自動容錯型光電中繼器，其中，所述的中繼器具有一個電纜總線端口、兩個光纖端口，其中每個光纖端口又包括輸入和輸出光纖各一根。
由于本實用新型采用了以上的技術方案，因此，其故障探測方式無需額外增加網絡開銷，每個中繼器可以連接一組通過電纜連在一起的網絡終端設備或者直接連接一個網絡終端，而且時延小、抗干擾能力強、成本比較低、實用性強。


本實用新型的具體結構由以下的實施例及其附圖進一步給出。
圖1是本實用新型光電中繼器的外形及接口示意圖。
圖2是本實用新型光電中繼器的電路結構示意圖。
圖3是本實用新型光電中繼器中信號整形與交換處理模塊的結構示意圖。
圖4是采用本實用新型光電中繼器構成的總線型拓撲結構的使用狀態實施例之一的示意圖。
圖5是采用本實用新型光電中繼器構成的星型拓撲結構的使用狀態實施例之二的示意圖。
圖6是采用本實用新型光電中繼器構成的環型拓撲結構的使用狀態實施例之三的示意圖。
圖7是本實用新型實施例中環型拓撲發生故障后向總線型拓撲的自動轉化的示意圖。
具體實施方式
本實用新型具有故障探測自動容錯功能的光電中繼器可在滿足以下條件的場合使用，該條件為傳輸數據的幀格式為一個起始位、八位數據位、一個停止位。因為RS485中繼器是采用平衡模式進行數據傳輸的串行通訊標準，它可以抑制共模干擾，在實際的遠程串行通訊中應用的最多，故本實用新型以使用在RS485標準場合為例說明。
請參閱圖1，這是本實用新型中繼器的平面外型圖，其外部接口包括系統指示燈01、RS-485電氣端口信號指示燈02、第一路光纖端口信號指示燈03、第二路光纖端口信號指示燈04、RS-485電氣端口05、第一路光纖端口發送06、第一路光纖端口接收07、第二路光纖端口發送08、第二路光纖端口接收09、電源接線端子010、波特率跳線開關011。
請參見圖2。本實用新型具有故障探測自動容錯功能的光電中繼器，它主要包括如下幾個部分信號整形與交換處理模塊1、RS485電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路2、光纖端口驅動電路3、光電轉換電路4、時鐘發生電路5、波特率跳線設置電路6和LED指示燈電路7。
信號整形與交換處理模塊1是本實用新型整個中繼器的核心處理部件，時鐘發生電路5向它提供系統的時鐘信號，波特率跳線設置電路6也與模塊1相連，通過電路6可以對通訊的數據波特率進行設置，信號整形與交換處理模塊1根據當前的設置值對時鐘信號進行分頻處理，以獲得要求的時鐘信號。信號整形與交換處理模塊1向RS485電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路2提供通道選擇控制信號，控制RS485端口輸入輸出的選通。同時，信號整形與交換處理模塊1還向LED指示燈電路7提供指示燈控制信號。其中信號整形與交換處理模塊1由一片ALTERA公司的MAX7000系列復雜可編程邏輯器件(如EPM7128SLC84-15)實現，與它直接相連的RS485電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路2采用的是一片DS75176，EPM7128SLC84-15與驅動電路進行雙向的數據通訊，并向DS75176提供使能控制邏輯。光電轉換電路4使用的是安捷倫公司提供的分體模塊HFBR-1414(發送)和HFBR-2412(接收)來發送接收信號并進行電信號到光信號及光信號到電信號的轉換。光纖端口驅動電路3使用的是73A13TF00高速與非門，它同時與信號整形與交換處理模塊1和光電轉換電路4相連接。時鐘發生電路所需的晶振頻率與所要求的最大波特率有關，一般選擇頻率位最大波特率的16倍的晶振。中繼器可以支持高達1.5MBps的數據速率。
請參見圖3。本實用新型的信號整形與交換處理模塊1由復雜可編程邏輯器件實現，其包括有效信號到達探測及通道選擇電路11、信號整形再生模塊12、故障探測模塊13、狀態寄存器14和輸出通道選擇電路15。其中有效信號到達探測及通道選擇電路11的輸入端分別連接電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路2、光纖端口驅動電路3的輸出信號，其輸出信號分別傳輸到信號整形再生模塊12和狀態寄存器14；它探測三路通道中那一路通道有有效信號到達，一旦有信號到達，它則將信號送入信號整形再生模塊進行處理，并將當前的通道選擇狀態置入寄存器中進行保存。
信號整形再生模塊12的輸出信號連接到輸出通道選擇電路15的輸入端；對信號中畸變的部分進行整形，并將信號電平放大再生到理想的電平值，這部分是中繼器所要實現的最基本的功能。
故障探測模塊13的輸入端連接光纖端口驅動電路3的輸出信號，其輸出信號傳輸到信號整形再生模塊12；故障探測主要是針對環型拓撲的情況，在這種情況下，故障探測模塊對當前環路的好壞進行探測，并將環路的狀態保存在狀態寄存器中。
信號整形再生模塊12將接收的有效信號到達探測及通道選擇電路11和故障探測模塊13的輸出信號進行整形后分兩路輸出，一路輸出到電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路2的輸入端，另一路到輸出通道選擇電路15；輸出通道選擇電路15的輸出信號分別連接到兩個光纖端口驅動電路3和RS485電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路2。
狀態寄存器主要用于存儲當前的通道選擇狀態和環路的好壞狀態。其它模塊根據寄存器中的值，在不同的情況下需要做出不同的處理。
該模塊根據狀態寄存器中保存的值，對經整形再生模塊處理后的信號進行輸出通道選擇。
圖中f和g分別與圖2中的兩路光纖端口驅動電路(3)連接，h與圖2中的RS485電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)相連，i是RS485電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路的輸入輸出通道選擇控制信號。
由本實用新型光電中繼器可以構成總線型、星型和環型三種拓撲結構，分別如圖4、圖5、圖6所示。圖中A為終端網絡，B為本實用新型光電中繼器。
下面結合圖1～圖6對其工作機理作進一步的說明。本實用新型設計的光電中繼器對信號的轉發方式根據拓撲結構和網絡當前的狀態不同而不同。在環型拓撲的情況下，中繼器對兩路光纖信號的轉發方式是將到達的信號從另一路光纖和電纜接口同時轉發出去，而對電纜接口到達的信號的轉發方式則根據當前環的狀態而定，如果環是好的，則只將電纜接口的信號從第二個光纖端口轉發出去，否則，將同時從兩個光纖端口將電纜接口到達的信號轉發出去。總線型與星型這兩種拓撲結構，中繼器的轉發方式跟環型拓撲時環壞的情況一樣，實際上，環型拓撲在環路出現故障的情況下，將自動轉化為總線型拓撲，不影響通訊的正常進行。
本光電中繼器對信號的整形再生方式有對畸變信號的識別能力強、時延小的突出特點。中繼器對輸入的有效信號進行高頻采樣，每一個比特位被采樣若干次，取其中中間的幾次采樣作為判斷當前比特位電平的標準。這種信號整形方法會引入半個比特位時間的延遲，該中繼器除此之外基本上不引入其它別的延時，因此輸入信號經過中繼器處理轉發后會有半個比特位時間的延遲，這與同類型的中繼器相比來說是很小的。中繼器引入的時延越小，在數據包時限一樣的情況下，能級連的中繼器個數可以適當增加，從而可以更大的拓展網絡的范圍。
為了消除線路中的尖峰干擾，本實用新型采用了數據幀起始位有效性判斷的特殊處理技術。該處理方法在探測到到達的下降沿后不是一個有效的起始位時，則馬上對中繼器進行復位，重新開始對下降沿的探測。通過這種方式可以有效的消除線路中的尖峰干擾，從而提高了中繼器的抗干擾能力，使得在比較惡劣的環境中也可以應用。
本實用新型中繼器具有故障探測和自動容錯功能說明如下在環型拓撲的情況下，正常時中繼器只將電纜端口到達的數據從第二路光纖端口轉發出去，數據在光纖環中按順時針方向傳遞，最終到達初始轉發中繼器的第一路光纖端口。如果環路是好的，也就是說光纖線路或者環中的中繼器沒有發生故障的情況下，初始轉發的中繼器一定能夠在它的第一路光纖端口收到它從電纜端口轉發出去的數據信號，否則數據將不會回到它的第一路光纖端口。正是基于這樣的事實，本中繼器采用了一種不用額外發送故障探測信號的故障探測方法。具體做法是這樣的，如圖3，中繼器將電纜端口h到達的數據幀從第二路光纖端口g轉發的同時，故障探測模塊c對它的第一路光纖端口f進行監視，看在規定的時限內它轉發出去的數據幀是否回到第一路光纖端口，如果確實從第一路光纖端口回收到數據幀則認為環路是正常的，否則認為環路已經發生故障。一旦發現環路已壞，中繼器將把電纜端口到達的數據從兩個光纖端口同時轉發出去，這時環型拓撲自動轉化為總線型拓撲，不影響通訊的正常進行。
請參見圖7，同時請結合圖4、圖5、圖6所示。圖7是本實用新型實施例中環型拓撲發生故障后向總線型拓撲的自動轉化的示意圖。其中圖7a是環形拓撲結構發生故障時的情形；圖7b是發生故障后環形知道轉化為總線型拓撲結構。圖中單箭頭粗實線為工作光纖；單箭頭細實線為冗余或已壞光纖；雙向箭頭實線為電纜線；×為發生故障。中繼器的電纜總線端口連接標準的RS485電纜接口，兩個光端口分別連接兩根62.5/125um塑料光纖，按照環型拓撲結構圖所示構成環型拓撲網絡。連網時，電纜總線段要求符合RS485標準的各項指標，每段光纖長度可達2Km。網絡在無故障的情況下，按圖7a圖所示的方式工作，一旦出現故障，則工作方式轉化為圖7b圖所示。故障排除后，工作方式又恢復為圖7a的方式。在發生故障的情況下，中繼器外部的指示燈可以通知這種情況的發生，并幫助定位故障發生在何處。故障排除后，中繼器將又能在它的第一路光纖端口回收到它從電纜端口轉發出去的信號，進而判定環路恢復正常，并按正常環路的情況工作。這種故障探測方法的突出優點就是不用發送額外的故障探測信號，而是在對自己發送的數據幀進行回收的同時，完成對環路的故障探測。因此，不會因為故障探測而增加網絡的負荷，從而在實現容錯功能的同時保證不降低網絡的效率。還有一點要特別說明的是，在環型拓撲的情況下，當中繼器對電纜端口到達的數據進行轉發時，要保證對它轉發出去的數據的完全回收，否則未被回收的數據將在環中一直循環下去，這種情況是不允許發生的。
從以上的分析中可以看到，本實用新型中繼器實現技術的優點是1、運用該光電中繼器可以構成總線型、星型以及環型拓撲，組網方式靈活；2、本光電中繼器的信號再生整形技術，使得它對畸變信號的識別再生能力強，尤其引入的時延很小，從而可以增加網絡的拓展范圍；3、中繼器在不發送額外的故障探測信號的情況下，實現了對網絡故障的探測，既實現了功能，又不增加網絡負荷，提高了網絡的利用效率，實現方法簡單有效；4、采用冗余環型拓撲，環路發生故障的情況下，環型自動轉化為總線型拓撲，不影響通訊的正常進行；在環路恢復正常后，又能夠自動恢復到環型拓撲結構，增強了系統的自動容錯能力，可靠性大大提高；5、本光電中繼器適應用于光電混合傳輸介質的網絡中，這樣，既可以保證了骨干傳輸線上采用光纖使系統具有抗干擾，保密性好，傳輸距離遠的特點，同時在本地采用電纜，大大節約了用戶成本；6、本中繼器既能用于一般的計算機網絡，也能用于自動化系統的現場總線網絡，實用性強。
權利要求1.具有故障探測自動容錯功能的光電中繼器，包括電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)、光纖端口驅動電路(3)、光電轉換電路(4)、時鐘發生電路(5)、波特率跳線設置電路(6)和LED指示燈電路(7)；所述的光纖端口驅動電路(3)、光電轉換電路(4)通過數據線雙向連接；其特征在于，還包括一信號整形與交換處理模塊(1)，所述的信號整形與交換處理模塊(1)通過數據線分別與電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)、光纖端口驅動電路(3)、光電轉換電路(4)雙向連接，該信號整形與交換處理模塊(1)的輸入端連接時鐘發生電路(5)和波特率跳線設置電路(6)，其輸出端連接LED指示燈電路(7)。
2.根據權利要求1所述的故障探測自動容錯型光電中繼器，其特征在于，所述的的信號整形與交換處理模塊(1)由復雜可編程邏輯器件實現，其包括有效信號到達探測及通道選擇電路(11)、信號整形再生模塊(12)、故障探測模塊(13)、狀態寄存器(14)和輸出通道選擇電路(15)；所述的有效信號到達探測及通道選擇電路(11)的輸入端分別連接電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)、光纖端口驅動電路(3)的輸出信號，其輸出信號分別傳輸到信號整形再生模塊(12)和狀態寄存器(14)；所述的信號整形再生模塊(12)的輸出信號連接到輸出通道選擇電路(15)的輸入端；所述的故障探測模塊(13)的輸入端連接光纖端口驅動電路(3)的輸出信號，其輸出信號傳輸到信號整形再生模塊(12)；所述的信號整形再生模塊(12)將接收的有效信號到達探測及通道選擇電路(11)和故障探測模塊(13)的輸出信號進行整形后分兩路輸出，一路輸出到電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)的輸入端，另一路到輸出通道選擇電路(15)所述的輸出通道選擇電路(15)的輸出信號分別連接到兩個光纖端口驅動電路(3)和RS485電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路(2)。
3.根據權利要求1所述的故障探測自動容錯型光電中繼器，其特征在于，所述的中繼器具有一個電纜總線端口、兩個光纖端口，其中每個光纖端口又包括輸入和輸出光纖各一根。
專利摘要本實用新型公開了一種具有故障探測自動容錯功能的光電中繼器，包括電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路、光纖端口驅動電路、光電轉換電路、時鐘發生電路、波特率跳線設置電路和LED指示燈電路；所述的光纖端口驅動電路、光電轉換電路通過數據線雙向連接；其特點是，還包括一信號整形與交換處理模塊，信號整形與交換處理模塊通過數據線分別與電纜端口驅動及輸入輸出通道選擇電路、光纖端口驅動電路、光電轉換電路雙向連接，該信號整形與交換處理模塊的輸入端連接時鐘發生電路和波特率跳線設置電路，其輸出端連接LED指示燈電路。利用該中繼器可以靈活的構建總線型、星型以及環型拓撲網絡。具有信號的小滯后再生中繼、故障探測與自動容錯功能、抗干擾能力強等特點，可以廣泛的應用于計算機局域網絡以及自動化系統的現場總線網絡中。
文檔編號H04B10/02GK2580696SQ0226043
公開日2003年10月15日 申請日期2002年9月29日 優先權日2002年9月29日
發明者黃文君, 張曉剛, 許小林, 趙鴻鳴 申請人:浙江浙大中控技術有限公司