CAN高層協議在隧道照明節能控制系統中的應用探索

王　燦,李良榮

(貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽　550025)

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CAN高層協議在隧道照明節能控制系統中的應用探索

王燦,李良榮

(貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽550025)

低碳經濟背景下，要求隧道照明安全、節能，信息傳輸技術關系到照明智能控制實施的有效性。CAN總線具有多主競爭、無損仲裁的特點，其優異的實時性和可靠性是選擇用于隧道照明節能控制系統的基礎，然而目前CAN總線尚未形成統一的高層協議。本文在隧道照明節能控制需求基礎上、通過幾種典型CAN應用協議特點的對比分析，提出在隧道照明節能控制應用下CAN高層協議的解決方案。

隧道照明；節能；信息傳輸；CAN總線；應用層協議

引言

隨著社會經濟的大發展,近幾年我國高速公路里程呈現井噴之勢,有效的隧道照明是隧道行車安全的重要保障，而高速公路隧道照明長明燈的能耗問題也日益突出,這既給高速公路運營帶來了沉重負擔，也有悖于國家的綠色發展戰略。如何在安全運營與節能降耗之間尋求平衡，是基于LED燈的隧道照明節能控制技術研究的出發點[1-2]，實現隧道照明節能控制需要有可靠性高、實時性強的系統控制總線和通信協議，傳統的RS-485總線已經不能滿足要求[3-4]，科技人員開始把目光投向功能更強的CAN(Contoller Area Network)總線[5-6]，但目前關于CAN高層(應用層)協議在隧道照明節能控制系統中應用的技術資料沒有查到，究其原因，CAN總線的協議規范只對底層的物理層和數據鏈路層作了定義，這雖為CAN總線的廣泛應用提供了基礎，也意味著具體行業在使用CAN總線時，需要制定相應的CAN高層協議，這無疑也給應用帶來了困難和風險。目前不同工業部門都制定了符合本行業需求的CAN高層協議，比如占領國際主要市場的DeviceNet協議和CANopen協議等，值得一提的是近年來國內市場上的iCAN(Industry CAN-bus Application Protocol)協議也異軍突起。不過，一個為特定行業制定的CAN高層協議不可能完全挖掘CAN總線的全部應用潛力，不合理的引用甚至會對其它行業具體應用形成桎梏。選擇合適的CAN高層協議對隧道照明節能控制系統研究具有重要意義，借鑒、改進已有的典型CAN高層協議是更為經濟有效的做法。

1　隧道照明節能控制需求

為克服駕駛員隧道行車的“黑洞效應”及“白洞效應”問題，我國交通運輸部頒布的《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014，以下簡稱《細則》)[7]規定，長于200 m的隧道都要有照明設施。《細則》將隧道照明劃分為四段，即入口段、過渡段、中間段和出口段照明，如圖1所示，圖中參數計算依據文獻[7]。

本項目組研究隧道照明智能控制系統，將傳感器實時采集的隧道內外光照強度、車流信息作為隧道照明開/關控制及動態調光的觸發信號，追求“按需照明”的理想設計目標[8]，系統中要求信息傳輸的控制總線及高層協議：①有可靠的容錯機制；②有高速的實時信息傳輸能力；③節點控制器之間能直接通信；④能承載大量數據傳輸；⑤有足夠的通信距離；⑥有升級潛力。

圖1　隧道路段亮度設計規范Fig.1　Code for design of brightness of tunnel section

2　CAN總線簡介

控制器局域網CAN是由德國Bosch公司為解決汽車內部眾多控制器與測量設備之間的數據交換而開發的一種串行數據通信總線,是一種有效支持分布式或實時控制系統的通信網絡。CAN總線以其可靠、實時、經濟、靈活的特點成為國際上廣受青睞的一種現場總線標準，并廣泛應用于汽車工業、航空工業、工業控制、安全監控、工程機械、醫療器械、樓宇自動化等諸多領域[9]。

CAN總線可由節點控制器和終端電阻構成分布式控制網絡，如圖2所示，推薦使用120Ω的終端電阻消除導線上的信號反射避免信號失真。如果加上中繼器可以克服CAN總線基本線性網絡的局限性。

圖2　CAN總線網絡結構Fig.2　Can bus network architecture

CAN總線網絡結構基于ISO/OSI(International Organization for Standardization，ISO；Open System Interconnection，OSI)參考模型，定義了物理層和數據鏈路層，加上用戶自定義的應用層協議便組成CAN總線通信協議棧，如圖3所示，三層協議棧保證了CAN總線強大的通信功能。

圖3　CAN協議棧Fig.3　CAN protocol stack

3　CAN高層協議及區別

3.1CAN高層協議

CAN總線協議規范只定義了物理層和數據鏈路層，分為CAN2.0A和CAN2.0B兩個版本，主要區別在于前者的標識符為11位，后者可以使用11/29位標識符的幀格式。高層協議為系統組網、設備開發和通信提供了更高層的執行規范和標準，CAN高層協議以CAN協議規范為基礎，實現各節點端到端的通信。目前主流的高層協議有真正占領國際市場的DeviceNet協議和CANopen協議，也包括后起之秀的國產iCAN協議。

3.1.1iCAN協議

iCAN協議，是我國具有自主知識產權的CAN應用層協議，具有理解簡單、應用靈活、容易實現、實時可靠的特點，適合各種不同工業環境中的分布數據控制網絡[10]。iCAN協議使用資源節點作為統一設備描述和訪問的模型，詳細定義了CAN報文中ID及數據的分配，并定義了I/O資源和訪問規則。資源節點分為I/O數據資源節點和配置資源，在資源節點表格中，設備ID配置信息以及I/O單元均有唯一的表格地址與之相對應。iCAN報文沿用了3種固定的幀類型：數據幀，發送實時信息；錯誤幀，檢測到總線錯誤即發錯誤幀；過載幀，用于附加延時。iCAN網絡中一般由主控節點作為源節點以“命令幀”形式發起通信，從控節點根據情況發出“響應幀”作為回應。

3.1.2DeviceNet協議

美國Allen-Bradley公司1990年開始研發了DeviceNet協議，后來由ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)協會負責管理和市場推廣。該協議最初專為解決設備內部部件組網問題而特別定制，主要適用于工廠自動化控制領域。作為一個非常成熟的開放式網絡，DeviceNet協議允許各種不同復雜設備間互連使用。DeviceNet協議根據抽象的對象模型(Object Mode)定義網絡中所有可見的數據和功能，來描述如何建立和管理設備的特性和通信。DeviceNet協議支持兩種報文格式：I/O報文用于傳輸主節點或從節點的實時信息，格式簡潔、數據傳輸速度快、傳輸數據量大，可以選擇應答方式或無應答方式，多選用無應答方式以節省時間，I/O報文可以點對點或點對多通信，一般被賦予較高優先級；顯示報文(Explicit Message)用于兩個設備之間多用途的信息交換，多用于節點配置和故障診斷，屬于“詢問/應答”方式，一般被賦予較低的優先級。

3.1.3CANopen協議

1993年開始，德國Bosch等公司開發了基于CAL(CAN Application Layer)的CANopen協議，CIA(CAN in Automation)協會負責CANopen協議的管理與發展，這是一種為用于產品部件內部網絡通信而研發的協議，目前已成為全歐洲最重要的嵌入式網絡標準。CANopen協議用包含了描述設備及其網絡行為所有參數的OD(Object Dictionary，對象字典)作為通信的設備模型，CANopen網絡中每個節點都有一個OD, OD是應用單元與通信單元的接口，實際上是設備所有參數列表[11]。CANopen協議不僅定義了通信子協議和設備子協議，也為可編程系統、不同器件和接口定義了幀狀態。網絡中傳輸4種類型的COB(Communication Object，通信對象)：PDO(Process Data Object，過程數據對象)用來傳輸實時數據； SDO(Service Data Object，服務數據對象)用來讀/寫其它CANopen設備的對象字典或傳輸大數據塊；預定義對象，用于同步、時間和緊急報文；網絡管理對象用來控制NMT(Network Management)狀態機和檢測設備。

3.2三種協議的區別

3.2.1CAN報文標識符分配

CAN報文標識符決定了報文相關的優先權,報文標識符分配的方法是基于CAN總線系統的主要特點。它同時也影響了報文濾波適用性、通信結構適用性、報文等待時間及標識符使用效率。CAN報文在CAN總線傳輸中有兩種類型：標準幀格式，具有11位標識符；擴展幀格式，具有29位標識符。在一個網絡中，通常只選取一種報文類型。一般情況下，擴展幀ID可以容納較多的數據和信息。

1)iCAN報文標識符分配。iCAN協議和CAN2.0B擴展幀的幀結構信息完全相同，29位報文標識分為5部分：源節點MAC ID、目標節點MAC ID、響應標志位ACK、功能代碼FUNC ID和資源節點Source ID。6位MAC ID意味著iCAN協議最多支持64個節點，8位Source ID用于指示所要操作的設備內部單元，包括兩類：I/O數據單元和配制數據單元。

2)DeviceNet報文標識符分配。DeviceNet協議以CAN標準幀為基礎，對11位標識符進行了詳細的功能劃分，根據報文用途的差異分為4個報文組，報文組1到報文組4優先級依次降低。如果2個設備同時發送報文，報文ID號較小的設備總是先發送。由于11位標識符內容所限，實際CAN通信程序時只能占用數據區部分字節來說明源節點地址。

3)CANopen報文標識符分配。CANopen協議中通信對象COB ID配置定義了“預定義主/從連接集”，默認采用11位CAN標識符分配方案，如表1所示，包括一個4位的功能代碼和一個7位的節點ID，讓設備具有同樣的網絡特性，使調試更加方便。

標識符的值作為待傳輸信息的優先級，所以在設定幀的標識符時，必須根據系統中各種消息的重要性來設置對應的數值。

表1　默認COB ID分配

3.2.2通信模式

通信模式是指明通過什么樣的方式來發起和結束通信的機制，不同的通信方式需要不同通信對象、通信服務，以及不同的可能觸發信息傳輸的模式。常見的幾種通信模式有：主/從方式，只能進行主節點到從節點的通信；客戶/服務器方式，需要2次握手信息是最為可靠的通信方式；生產者/消費者方式，可以直接實現從節點到從節點的通信；事件觸發方式會使從節點主動向上傳輸數據報文。三種協議的通信方式如表2所示。

表2　通信方式

多種可選的通信方式均可自由指定，通過合理的選擇數據的通信方式可以明顯地提高網絡的使用效率。

3.2.3通信協議類型

數據通信協議類型分為：“面向節點的協議”和“面向報文的協議”兩種，數據交換是建立在報文標識符基礎上的。由CAN總線的特性可知，CAN報文是通過標識符進行識別的，所以CAN協議可以看成面向報文的協議,面向報文的協議可以最大限度的利用CAN總線的通信特性(仲裁、濾波機制)，大大提高了網絡的通信效率。值得注意的是，由于標識符具體分配方法的不同，并非所有基于CAN總線的應用層協議都是面向報文的協議。三種協議的數據通信類型如表3所示。

表3　通信協議類型

不同應用層協議制定過程中，兩種方式常常混合使用，既保證了網絡的通信效率又兼顧了對于需要確認通信的可靠性。

3.2.4應用范圍和支持的節點數

DeviceNet協議和iCAN協議多用應用在工廠自動化控制網絡中，適合有傳感器和微型執行器等部件的設備內部組網，兩者最多支持64個節點，進行遠距離通信需要使用網絡中繼器。CANopen協議不僅適合用在運動監控等精密復雜設備的嵌入式網絡，在中遠距離通信中也表現出色，其最遠通信距離達10 km，且同一CANopen網絡中支持的節點數多達127個。

4　綜合分析與設計選用

iCAN協議使用站地址編碼方式，是面向節點的協議，從節點之間不能直接通信，CAN總線的多主競爭和優先級仲裁特點不如在DeviceNet協議和CANopen協議更充分的得到應用。在不使用中繼器的情況下CANopen協議比DeviceNet協議能支持更長的通信距離和更多的節點,而且CANopen報文更為簡潔和開放,實現效率也更高。綜合各種因素,基于CAN總線的CANopen協議更適合做隧道照明節能控制系統的高層協議。根據隧道照明節能控制特點,我們設計隧道照明節能控制系統的CANopen分布式通信網絡結構如圖4所示。

圖4　CANopen網絡在隧道中的基本結構Fig.4　The basic structure of CANopen network in the tunnel

圖4中節點控制器以洞外亮度L20(s)作為照明亮度的調節參數，依據車流量和車速，使用查表法從《細則》推薦表中查找，然后綜合算出各隧道路段的實時亮度控制命令。

CANopen網絡中，主節點(工控PC)使用管理報文對各隧道路段節點初始化；將L20(s)信息以PDO廣播到網絡中，處理各節點以預定義對象形式的緊急報文；可以手動調取各節點的視頻監控信息(SDO)進行遠端控制通信。各路段從節點接受來自網絡的L20(s)信息，結合現場車流信息綜合生成用于實時亮度控制的PWM信息，然后發送給LED燈組驅動器；并對本節點進行錯誤檢測和判斷，依據錯誤等級決定是否需要離線并將故障報告以緊急報文發送給網絡；根據實際需要用PDO與其它從機進行通信；回應主節點的視頻請求并將該點視頻信息以SDO打包發送給主節點。整個CANopen網絡中，緊急報文優先級最高，PDO優先級次之，用于傳輸視頻信息的SDO優先級最低，其它通信對象優先級根據實際控制需要設定。

5　結束語

CANopen協議為分布式控制系統提供了便捷的實現方式，包括：①設備描述方式和網絡功能；②標準化的系統通信模式；③不同CAN設備間的互操作性和互換性；④網絡節點功能的可擴展性。基于CANopen協議的隧道照明節能控制系統是以控制器為節點的分布式控制網絡，各節點相互獨立。某部分出現故障，不會影響系統的正常運行，多主競爭和無損仲裁的特點保證了系統的可靠性和信息傳輸的及時性。項目研究實現了隧道照明根據隧道實時情況動態調光，真正達到了“按需照明”的應用效果。同時，該系統集照明節能控制和交通視頻監控等功能于一身，有助于推進ITS(Intelligent Traffic System，智能交通系統)建設，能有效保障交通運行安全，有良好的社會效益。

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The Application and Exploration of CAN High-level Protocol in Tunnel Lighting Energy Saving Control System

WANG Can，LI Liangrong

(Big Data and Information Engineering Institute，Guizhou University，Guiyang550025，China)

Under the background of low carbon economy, the tunnel-lighting requires safety and energy conservation. The information transmission technology is related to the effectiveness of the implementation of intelligent lighting control system. The CAN-bus has characteristics of multi-master competition and nondestructive arbitration. It is chosen in tunnel energy-saving lighting control system by excellent real-time and reliability characters.However, the CAN-bus has not yet formed a unified High-level protocol. In this paper, we give a solution in using CAN-bus application layer protocol at tunnel energy-saving lighting control system, after comparing several typical CAN application layer protocol and analysing the tunnel energy-saving lighting control requirements.

tunnel lighting；energy conservation；information transmission；CAN-bus；application layer protocol

國家自然科學基金“高速公路隧道節能照明關鍵技術研究”(61361012)

李良榮,E-mail：llr100@sina.com

TN915.04

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.011