基于CAN總線的道路照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于CAN總線的道路照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(第1頁(yè))來(lái)源：同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 作者：高磊，余有靈，張志明 瀏覽：816人次 發(fā)布：2012-03-20注：其他網(wǎng)站轉(zhuǎn)載須注明出處，轉(zhuǎn)載而不注明出處者，一經(jīng)查實(shí)，將追究其法律責(zé)任傳統(tǒng)城市道路照明系統(tǒng)對(duì)回路實(shí)現(xiàn)整體控制，只能實(shí)現(xiàn)回路路燈整體開(kāi)關(guān)，不能對(duì)回路中的單個(gè)路燈進(jìn)行單點(diǎn)控制，且靈活性差。為實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能降耗，提出了一種基于CAN 總線的道路照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，采用智能化控制策略對(duì)傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使用英飛凌16 位單片機(jī)對(duì)車(chē)輛通過(guò)信息進(jìn)行采集和處理，預(yù)先調(diào)整路燈亮度。論述了系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)路燈控制器和主節(jié)點(diǎn)回路

2、控制器的工作原理和硬件設(shè)計(jì)方案，并介紹了該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明了該方案的有效性。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，道路照明設(shè)施的規(guī)模和數(shù)量迅速擴(kuò)大，道路照明耗電迅速上升，且存在較嚴(yán)重的用電浪費(fèi)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的城市道路照明系統(tǒng)一般由專(zhuān)用的回路箱對(duì)回路中的高壓鈉燈統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)回路內(nèi)整體開(kāi)關(guān)，不能對(duì)回路中的單個(gè)路燈進(jìn)行單點(diǎn)控制，靈活性較差，同時(shí)鈉燈供電電壓高，耗電量大且需要配備鎮(zhèn)流器，不同時(shí)段下城市用電負(fù)荷的變化也會(huì)影響高壓鈉燈的使用壽命，因此還需要對(duì)回路電壓進(jìn)行調(diào)整。此外，由于缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段，不能根據(jù)路面實(shí)際狀況進(jìn)行“按需照明”。如今，在對(duì)道路照明的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出要求的同時(shí)，如何有效降

3、低能源消耗也成為了新的研究方向1。目前部分地區(qū)為節(jié)能降耗，實(shí)行“半夜燈”制度，通過(guò)采取“亮一隔一”的方式關(guān)閉部分路燈，但是破壞了路面照度均勻度，對(duì)于交通安全和社會(huì)治安十分不利。為了有效實(shí)現(xiàn)回路內(nèi)單點(diǎn)控制，并且提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，采用CAN 總線進(jìn)行報(bào)文傳輸，以LED 光源代替高壓鈉燈，實(shí)現(xiàn)串行通信網(wǎng)絡(luò)中的分布式控制，擺脫了傳統(tǒng)RS485 總線主站輪詢的通信方式，并且有效節(jié)約能源。在控制策略上同時(shí)綜合考慮時(shí)間、路段、環(huán)境照度和交通流量等場(chǎng)景因素，按照預(yù)設(shè)的TPO 控制策略2，最大限度實(shí)現(xiàn)信息交互。1 道路照明控制系統(tǒng)基于CAN 總線的道路照明控制系統(tǒng)的組成原理圖如圖1 所示。該系統(tǒng)主要

4、由底層CAN 節(jié)點(diǎn)控制器部分和計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分組成，節(jié)點(diǎn)控制器分為子節(jié)點(diǎn)路燈控制器( RTU) 和主節(jié)點(diǎn)回路控制器( LTU) ，底層總線采用普通雙絞線作為通信介質(zhì)。在傳感器模塊中，各節(jié)點(diǎn)上配置磁傳感器( 或壓力傳感器) 用于檢測(cè)車(chē)輛信息，照度傳感器采集照度信息。同時(shí)回路定時(shí)采集電流、電壓、功率因數(shù)等電參數(shù)，各節(jié)點(diǎn)LED 調(diào)光電路可設(shè)定多個(gè)等級(jí)的路燈亮度。通過(guò)CAN 總線實(shí)現(xiàn)路燈子節(jié)點(diǎn)之間，以及子節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間的信息通信。計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分負(fù)責(zé)控制策略的調(diào)整。主節(jié)點(diǎn)回路控制器向計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分上傳狀態(tài)參數(shù)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，計(jì)算機(jī)比對(duì)正常數(shù)據(jù)，對(duì)回路中的異常情況進(jìn)行判斷，確定異常位置，向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制

5、指令。系統(tǒng)功能: 監(jiān)控交通流量和天氣情況; 單燈故障檢測(cè); 監(jiān)控電能消耗; 控制電流實(shí)現(xiàn)單燈調(diào)光; 在確保功效的前提下，合理調(diào)整亮燈數(shù)量和時(shí)間。2 車(chē)輛信息控制的工作原理主節(jié)點(diǎn)按照TPO( time place occasion) 控制策略，對(duì)多種策略進(jìn)行融合，以LED 燈為控制對(duì)象。主要的控制策略包括: 分時(shí)段時(shí)間控制。針對(duì)不同時(shí)段的照明需求，采用等級(jí)化照明亮度，在夜晚繁忙時(shí)段控制所有路燈保持高亮，在接近午夜時(shí)因車(chē)流量稀少，調(diào)整路燈為較低亮度，為近一步實(shí)現(xiàn)智能照明，還可以開(kāi)啟車(chē)輛信息控制模式，檢測(cè)車(chē)輛通過(guò)信息調(diào)整亮度; 環(huán)境參數(shù)控制。根據(jù)光照、交通流量等實(shí)際的環(huán)境參數(shù)調(diào)整照明控制，以獲得更好

6、的照明質(zhì)量和節(jié)電效果，例如在天氣不佳、能見(jiàn)度較低的情況下提前開(kāi)啟路燈，或者監(jiān)測(cè)到車(chē)輛流量在某一時(shí)段內(nèi)突變( 激增) ，及時(shí)調(diào)整路燈為高亮以應(yīng)急。 組群控制1。處于同一照明回路中的不同路燈，由于所處的位置不同，對(duì)其照明亮度的需求可能也不同，利用LED 單燈控制的特點(diǎn)，可以指定回路中的某些子節(jié)點(diǎn)組成組群，實(shí)現(xiàn)不同的場(chǎng)景控制。例如某些節(jié)點(diǎn)僅使用時(shí)間控制策略，某些節(jié)點(diǎn)使用車(chē)輛信息控制策略，而對(duì)關(guān)鍵路段的子節(jié)點(diǎn)( 例如警示燈、景觀燈) 則不調(diào)整，始終保持高亮。 車(chē)輛信息控制。車(chē)輛信息控制策略與傳統(tǒng)照明策略相比，更好地體現(xiàn)出“按需照明”的特點(diǎn)，主動(dòng)感知道路上的車(chē)輛情況，調(diào)整當(dāng)前路段亮度，并引入對(duì)下一路段照

7、明需求的預(yù)判機(jī)制，在車(chē)輛未行至前，提前調(diào)整路燈亮度為高亮。本文重點(diǎn)介紹車(chē)輛信息控制策略的實(shí)現(xiàn)方式，該方式依據(jù)車(chē)輛大致位置和行進(jìn)方向進(jìn)行閉環(huán)控制，可以對(duì)前方路段進(jìn)行照度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)回路控制器首先請(qǐng)求各子節(jié)點(diǎn)車(chē)輛通過(guò)信息，并對(duì)車(chē)輛信息進(jìn)行綜合，判斷當(dāng)前回路中哪些節(jié)點(diǎn)位置有車(chē)輛通過(guò)，在該位置和車(chē)輛行駛的下一路段位置處，請(qǐng)求路燈亮度信息，判斷子節(jié)點(diǎn)的路燈亮度是否為高亮狀態(tài)，對(duì)亮度為低亮的路燈子節(jié)點(diǎn)發(fā)送亮度調(diào)整信息，使其變?yōu)楦吡烈耘浜宪?chē)輛行駛，而暫不影響與車(chē)輛行駛無(wú)關(guān)的其他子節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單燈控制，控制效果如圖1 所示。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有某一ID 標(biāo)識(shí)符的車(chē)輛信息請(qǐng)求幀時(shí)，若在各個(gè)子節(jié)點(diǎn)內(nèi)均定義了該ID

8、標(biāo)識(shí)符，則子節(jié)點(diǎn)均可接收到該車(chē)輛信息請(qǐng)求幀。若多個(gè)子節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)到有車(chē)輛通過(guò)，主節(jié)點(diǎn)中的接收車(chē)輛信息報(bào)文對(duì)象可通過(guò)設(shè)定屏蔽位，并根據(jù)CAN 的無(wú)破壞性位仲裁機(jī)制3，依次接收多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的報(bào)文信息。子節(jié)點(diǎn)亮度信息的請(qǐng)求與發(fā)送方式類(lèi)似于車(chē)輛信息。各個(gè)子節(jié)點(diǎn)均可接收單點(diǎn)亮度控制幀，在數(shù)據(jù)段中可判斷與自己的地址是否一致，如果一致則修改當(dāng)前的路燈亮度。3 節(jié)點(diǎn)控制器的組成節(jié)點(diǎn)控制器采用英飛凌16 位微處理器XE164FM4 - 5，其中MultiCAN 模塊具有4 個(gè)獨(dú)立CAN節(jié)點(diǎn)，多達(dá)128 個(gè)獨(dú)立消息對(duì)象( message object) ，數(shù)據(jù)傳送速率最高達(dá)1 Mbit /s，外設(shè)部分包括CAN 收

9、發(fā)器模塊、串口通信模塊、LED 調(diào)光電路模塊、車(chē)輛傳感器模塊、電源模塊、照度傳感器模塊接口、LCD 顯示模塊接口， JTAG 在線調(diào)試接口等，如圖2 所示。CAN 收發(fā)器采用IFX1050G，通過(guò)定時(shí)器GPT1 模塊可產(chǎn)生不同占空比的PWM 波，通過(guò)IO 輸出PWM波到LED 調(diào)光模塊設(shè)定路燈亮度。T2 在T3 定時(shí)溢出后發(fā)生上升沿跳變時(shí)觸發(fā)，將T2 寄存器重載到T3 定時(shí)器，T4 在T3 定時(shí)溢出發(fā)生下降沿跳變時(shí)觸發(fā)，將T4 寄存器中的內(nèi)容重載到T3 寄存器。設(shè)定值與亮度如表1 所示。車(chē)輛傳感器模塊中采用干簧管繼電器，干簧管體積小、質(zhì)量輕，通斷時(shí)間為1 3 ms，當(dāng)模型車(chē)行駛到干簧管附近時(shí)，

10、管內(nèi)接點(diǎn)會(huì)吸合，傳感器模塊采樣到車(chē)輛通過(guò)信息，采樣輸入端電平被拉低。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，LED 調(diào)光電路模塊中采用MBI1804 驅(qū)動(dòng)芯片，提供了4 個(gè)恒流輸出通道，具有高輸出電流能力，最大電流輸出值為240 mA，可直接輸入由XE164FM Lout 端輸出的PWM 波，調(diào)整范圍為100% 0%，如圖3所示。串口通信模塊用于與上位圖3 節(jié)點(diǎn)硬件電路簡(jiǎn)圖機(jī)進(jìn)行通信。4 軟件實(shí)現(xiàn)使用英飛凌公司DAVE 自動(dòng)代碼生成軟件可以對(duì)單片機(jī)內(nèi)各模塊進(jìn)行圖形化配置，有效地提高了編碼效率。節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)采用查詢方式發(fā)送報(bào)文，通過(guò)讀取狀態(tài)寄存器值判斷節(jié)點(diǎn)是否處于接收狀態(tài)，然后再判斷上次發(fā)送是否已成功，若上次發(fā)送已成功，只

11、需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成數(shù)據(jù)幀報(bào)文，送入發(fā)送緩沖區(qū)中即可發(fā)送。接收時(shí)采用中斷方式接收?qǐng)?bào)文，初始化程序中使能接收中斷。主節(jié)點(diǎn)控制器初始化部分配置報(bào)文對(duì)象MO1 MO5，功能如圖4 所示。TASK1 和TASK2 定時(shí)觸發(fā)，廣播車(chē)輛信息請(qǐng)求和亮度信息請(qǐng)求，TASK4 對(duì)車(chē)輛通過(guò)節(jié)點(diǎn)和下一節(jié)點(diǎn)發(fā)送亮度控制幀，TASK5 判斷車(chē)輛通過(guò)亮度調(diào)整后與TASK4 預(yù)設(shè)亮度是否一致，并將上一節(jié)點(diǎn)的亮度恢復(fù)普通等級(jí)。TASK3 恢復(fù)所有節(jié)點(diǎn)普通亮度，如圖5所示。如圖6 所示，子節(jié)點(diǎn)控制器對(duì)報(bào)文對(duì)象和幀更新位進(jìn)行初始化，3 個(gè)更新位分別與主節(jié)點(diǎn)的發(fā)送請(qǐng)求相對(duì)應(yīng)。TASK1 定時(shí)觸發(fā)，判斷有無(wú)車(chē)輛通過(guò)信息，

12、TASK2 由CAN 中斷指針觸發(fā)，對(duì)接收到的幀更新位判斷，進(jìn)入相應(yīng)的處理單元。_MO3IsUpdated 置位發(fā)送車(chē)輛通過(guò)信息，_MO4IsUpdated 置位發(fā)送當(dāng)前亮度信息_MO5IsUpdated 置位對(duì)PWM 占空比調(diào)整設(shè)定節(jié)點(diǎn)亮度。退出ProcCAN 時(shí)復(fù)位各幀更新位。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在CrossView Pro C166 中可在線查看MultiCAN 中各個(gè)報(bào)文對(duì)象的數(shù)據(jù)段。以子節(jié)點(diǎn)1 和子節(jié)點(diǎn)2 為例進(jìn)行分析。當(dāng)車(chē)輛行駛到子節(jié)點(diǎn)1 時(shí)，主節(jié)點(diǎn)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送車(chē)輛信息和亮度信息請(qǐng)求，圖7( a) 上和左中所示為子節(jié)點(diǎn)1 車(chē)輛信息發(fā)送幀和亮度信息發(fā)送幀中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，圖7( a) 下為子節(jié)點(diǎn)1 從主節(jié)點(diǎn)接收到的亮度調(diào)節(jié)信息內(nèi)容，其中低8 位為節(jié)點(diǎn)地址，高8 位為車(chē)輛或亮度信息。子節(jié)點(diǎn)2 未檢測(cè)到車(chē)輛通過(guò)( 0x00，圖7( b)上) ，且當(dāng)前亮度為低亮( 0x01，圖7( b) 中) ，在主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的亮度調(diào)節(jié)信息中，將子節(jié)點(diǎn)2 的亮度調(diào)節(jié)為高亮( 0x02，圖7( b) 下) 。當(dāng)車(chē)輛行駛到子節(jié)點(diǎn)2 時(shí)，圖8( a) 下所示，子節(jié)點(diǎn)1 接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的亮度調(diào)節(jié)信息恢復(fù)至普通亮度( 0x01) ，圖8( b) 下可知子節(jié)點(diǎn)2 保持高亮狀態(tài)。圖9 所示，當(dāng)車(chē)輛繼續(xù)行駛一段時(shí)間后，各個(gè)子節(jié)點(diǎn)