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採用CAN-bus網路實現ADSL通訊電桿檢測

上網時間: 2007年06月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:CAN-bus  iCAN協議  ADSL通訊電桿 

控制區域網路匯流排(CAN bus)主要用於汽車內部測量與控制中心之間的數據通訊,它定義了OSI網路模型的數據鏈路層和部份實體層(圖1)。

由於CAN-bus具備良好性能,已在全球獲得廣泛應用,如工業控制、建築、電梯網路、電力通訊和消防安全等,並逐漸成為這些產業的主要通訊方法。它具有傳輸可靠、即時性高、傳輸距離遠、傳輸速率快、可方便擴充節點數、匯流排利用率高、數據出錯率低,以及性價比極高等優勢。

但是,CAN-bus2.0規格並未定義應用層。實際應用中,用戶必須選擇一種合適的應用層協議,如DeviceNet協議、CANopen協議,或自行制訂一種應用層協議。本文將介紹另一種基於連接的可靠協議:iCAN協議的應用。

基於CAN-bus的iCAN協議

iCAN協議詳細定義了CAN中ID以及數據的分配和應用,並定義了設備的I/O資源和存取規則。iCAN協議結構如圖2所示。

1. iCAN協議的通訊模式

在任何一個iCAN的報文標識符中,指定了源節點地址(發送報文的節點編號)以及目的地址(接收報文的節點編號),即對於任何一個報文參與通訊的雙方是確定的。因此iCAN協議中報文是針對節點的。

iCAN網路中設備之間的通訊是基於連接的,在網路中任何一個參與通訊的從站設備都必須和主站設備之間設立一個獨立的通訊連接。正由於iCAN網路中設備之間的通訊是基於連接的,因此也能對任何一個設備的通訊進行監控。在iCAN網路中,主控設備和從設備之間的通訊無法隨機進行,主控設備和從設備之間必須首先設立一個連接。設立連接後,主控設備才能夠與從設備進行通訊。

在基於iCAN協議的CAN網路中,最常用的通訊方式是主從雙向通訊方式,通訊由網路中的主控設備發起,接收到命令訊框的設備返回響應訊框。主從通訊分為點對點方式和廣播方式兩種情況。為提高通訊效率,可充分利用CAN-bus的多主控和無損仲裁機制,在iCAN協議中也可採用事件觸發的通訊模式,包括定時循環發送和狀態觸發發送。

圖1:現場匯流排CAN-bus與OSI模型的關係。
圖1:現場匯流排CAN-bus與OSI模型的關係。

圖2:iCAN協議通訊層結構。
圖2:iCAN協議通訊層結構。

iCAN的網路管理

iCAN網路管理的主要任務是檢測和顯示網路中的錯誤,並透過服務以協調控制各個從站設備的通訊狀態。

為保證正常通訊,網路中的每一個通訊都必須進行監控,並在通訊出現異常時採用適當方式恢復通訊。例如對每個通訊均可透過監控其資訊到達節點的時間,透過判斷是否超時決定通訊是否異常,並採取相應的行動。在iCAN網路中,通訊的監控是基於對連接的監控實現的。iCAN網路管理可以包括節點控制和通訊控制,節點控制用於控制想要參與分散式應用的節點的初始化,這樣就可以對單個或所有節點的通訊狀態進行同步控制。iCAN網路中的節點控制透過定義iCAN設備的網路存取狀態機制而實現,iCAN網路存取狀態機制規定了節點在網路中啟動時必須執行的狀態圖,詳細規定了節點各狀態之間切換的規則,並可透過特定的報文對節點進行控制。

iCAN協議的通訊控制用於對網路通訊報文進行監控,保證在通訊異常時,可透過適當的方式恢復通訊。通訊的控制是以主站設備和從站設備之間的通訊時間間隔作為依據。因此在iCAN網路中,通訊是否異常是透過‘超時機制’判斷的。為實現通訊控制,在iCAN協議中定義了MAC ID檢測定時器、連接定時器、循環傳送定時器。

在MAC ID檢測中會使用到一個固定時間長度的MAC ID檢測定時器,通常設定為1秒。iCAN設備在成功發送MAC ID檢測報文後,會啟動MAC ID檢測定時器,如果定時器計時到達1秒時,設備還沒有接收到MAC ID檢測報文,則進入可作業狀態。

在一個連接中,透過連接定時器實現連接通訊響應的超時機制。該連接定時器透過主站通訊定時參數進行設定,如果在通訊過程中,連接定時器計數滿則意味通訊超時,此時從站設備會自動刪除連接。

循環傳送定時器用於觸發傳送。在一個連接中,當循環傳送定時器超時後,從站設備會發送報文。循環傳送定時器透過定時循環參數進行設定。當連接設立時,並設置了循環定時參數後,從站設備的循環傳送定時器被啟動。當從站設備的循環傳送定時器超時後,主動發送報文到主控節點。

圖3:iCAN設備網路初始化過程。
圖3:iCAN設備網路初始化過程。

ADSL通訊電桿檢測應用

ADSL通訊電桿的檢測,包括傾斜角度、電纜盜竊等是透過工作人員到現場檢測的方法逐一記錄,且其分佈區域廣、數量龐大,相當耗費時力。設立一個分散式的採集網路,當通訊電桿的傾斜達到一定角度時自動產生警報訊號並通知主控PC,或檢測到有人正在竊取電纜時產生一個警報訊號並通知主控PC,將是實現ADSL通訊電桿自動監控的有效方法。

ADSL每隔3,000~5000公尺均設有一個中繼設備,中繼設備具有網際網路網路介面,透過ADSL可直接連上網際網路。中繼設備之間每隔20~30公尺則架設一個通訊電桿,每個中繼設備之間大約有150個通訊電桿。

網路拓樸

ADSL通訊電桿檢測網路可採用CAN-bus和乙太網路構成的兩級結構,每個通訊電桿上都有整合iCAN協議的8路開關量檢測AnyCAN模組。可將兩個中繼設備之間的所有AnyCAN模組和CANET-100/200都連接到CAN匯流排上,並在匯流排的兩端串接120歐姆的終端匹配電阻,而CANET-100/200的乙太網路介面則在ADSL中繼設備中連入網際網路。

ADSL總監控站的主控PC可透過一系列固定IP地址存取多個ADSL中繼設備的CANET-100/200設備。這些設備使用不同的埠號區分不同的iCAN網路。由於CANET-100/200設備的乙太網路速率可達10Mbps,而CAN-bus工作在10Kbps的通訊速率,主控PC可連接多個iCAN網路,同時需注意iCAN網路的通訊數據流量管理。

網路參數和性能分析

ADSL通訊電桿檢測網路不需要即時響應。單個iCAN網路可長達5,000m,選用10Kpbs通訊波特率,採用2mm2的非屏蔽雙絞線作為通訊電纜,所有節點設定在輪循方式下工作。可設置主站通訊定時參數(CyclicMaster)為0,從站設備的連接定時器不裝載,不存在超時判斷,設立連接後可隨時進行通訊。輪循時iCAN訊框的數據長度為2個位元組,對應的iCAN報文長度為83個位元(忽略位填充時間),所以iCAN網路輪循一周的時間為:83位元*0.1ms*2*150節點/1000=2.49s。

要使網路可靠工作,應保證網路工作在60%的匯流排負載率下,控制iCAN網路輪循時間為:2.49s/60%=4.15s。

由於網際網路網路環境複雜,PC軟體必須保證數據的可靠性,PC軟體可為每個IP埠組合分配一個定時器並設定初始值。當發出一個報文時就啟動定時器,當收到報文後,重置定時器並停止計時。如定時器超時,說明在規定的時間內沒有收到應答報文,查詢報文或應答報文可能在網際網路通訊時丟失。此時,PC軟體自動重發查詢報文,重新啟動定時器。

編寫主站軟體

CANET-100/200設備提供了具備iCAN協議API驅動函數,支援VC++、VB、Delphi、C++ Builder、LabView等軟體開發環境。PC軟體開發的主要流程如圖4所示。

圖4:PC軟體開發的主要流程。
圖4:PC軟體開發的主要流程。

透過使用ZOPC-Server伺服器軟體,可以在業界標準的組態環境中開發ADSL通訊電桿檢測網路的PC監控軟體。常用的組態環境均支援OPC協議,如KingView、MCGS、Intouch、iFix等。由於ZOPC-Server伺服器軟體在內部已有超時和重發機制,可保證CANET-100/200設備管理iCAN網路的即時與可靠性。

本文小結

ADSL通訊電桿分散度大、距離遠的特點使CAN網路成為最佳解決方案。iCAN協議的高可靠性和易用性可快速設立一個可靠的CAN網路。由於中國ADSL電桿架設數量龐大,採用網路化的數據採集控制將大幅降低人力投資並提高ADSL服務品質。

作者:李洪鋒、李飛亮

廣州致遠電子有限公司




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