利用CAN-bus網(wǎng)絡實現(xiàn)ADSL通信電桿檢測

CAN-bus(控制器區(qū)域網(wǎng)絡)總線主要用于汽車內(nèi)部測量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信，它定義了OSI網(wǎng)絡模型的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層(見圖1)。

圖1：現(xiàn)場總線CAN-bus與OSI模型的關系

由于CAN-bus良好的性能，在世界范圍內(nèi)廣泛應用于其他領域當中，如工業(yè)控制、樓宇建筑、電梯網(wǎng)絡、電力通訊和安防消防等諸多領域，并逐漸成為這些行業(yè)的主要通訊手段。它具有傳輸可靠、實時性高、傳輸距離遠、傳輸速率快、可方便擴充節(jié)點數(shù)、總線利用率高、數(shù)據(jù)出錯率低，以及性價比極高等優(yōu)勢。

但是，CAN-bus2.0規(guī)范并沒有定義應用層。實際應用中，用戶需要選擇一個合適的應用層協(xié)議，比如DeviceNet協(xié)議、CANopen協(xié)議，或者自行制定一個應用層協(xié)議。本文主要介紹另一個基于連接的可靠協(xié)議：iCAN協(xié)議的應用。

基于CAN-bus的iCAN協(xié)議

iCAN協(xié)議詳細地定義了CAN報文中ID以及數(shù)據(jù)的分配和應用，并定義了設備的I/O資源和訪問規(guī)則。iCAN協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：iCAN協(xié)議通信層結(jié)構(gòu)

1.iCAN協(xié)議的通訊模式

在任何一個iCAN的報文標識符中，指定了源節(jié)點地址(發(fā)送報文的節(jié)點編號)以及目的地址(接收報文的節(jié)點編號)，即對于任何一個報文參與通訊的雙方是確定的。因此iCAN協(xié)議中報文是面向節(jié)點的。

iCAN網(wǎng)絡中設備之間的通訊是基于連接的，在網(wǎng)絡中任何一個參與通訊的從站設備都必須和主站設備之間建立一個獨立的通訊連接。正由于iCAN網(wǎng)絡中設備之間的通訊是基于連接的，這樣也為對任何一個設備的通訊進行監(jiān)控提供了可能。在iCAN網(wǎng)絡中，主控設備和從設備之間的通訊并不能夠隨機進行，主控設備和從設備之間必須首先建立一個連接。建立連接后，主控設備才能夠與從設備進行通訊。

基于iCAN協(xié)議的CAN網(wǎng)絡中，最常用的通訊方式是主從雙向通訊方式，通訊由網(wǎng)絡中的主控設備發(fā)起，接收到命令幀的設備返回響應幀。在主從通訊分為點對點方式和廣播方式兩種情況。為提高通信效率，充分利用CAN-bus多主和無損仲裁機制，在iCAN協(xié)議中也采用事件觸發(fā)的通訊模式，包括定時循環(huán)發(fā)送和狀態(tài)觸發(fā)發(fā)送。

2．iCAN的網(wǎng)絡管理

iCAN網(wǎng)絡管理的主要任務是檢測和顯示網(wǎng)絡中的錯誤，并通過服務以協(xié)調(diào)控制各個從站設備的通訊狀態(tài)。

為保證通訊的正常，網(wǎng)絡中的每一個通訊都需要進行監(jiān)控，并在通訊出現(xiàn)異常時，采用適當?shù)姆绞交謴屯ㄓ崱＠鐚γ總€通訊均可通過監(jiān)控其信息到達節(jié)點的時間，通過判斷是否超時決定通訊是否異常，并采取相應的行動。在iCAN網(wǎng)絡中通訊的監(jiān)控是基于對連接的監(jiān)控實現(xiàn)的。iCAN網(wǎng)絡管理可以包括節(jié)點控制和通訊控制，節(jié)點控制用于控制想要參與分布式應用的節(jié)點的初始化，這樣就可以對單個或所有節(jié)點的通信狀態(tài)進行同步控制。iCAN網(wǎng)絡中的節(jié)點控制通過定義iCAN設備的網(wǎng)絡訪問狀態(tài)機制而實現(xiàn)，iCAN網(wǎng)絡訪問狀態(tài)機制規(guī)定了節(jié)點在網(wǎng)絡中啟動時必須執(zhí)行的狀態(tài)圖，詳細規(guī)定了節(jié)點各狀態(tài)之間切換的規(guī)則，并可以通過特定的報文對節(jié)點進行控制。

圖3：iCAN設備網(wǎng)絡初始化過程

iCAN協(xié)議的通訊控制用于對網(wǎng)絡通訊報文進行監(jiān)控，保證在通訊異常時，通過適當?shù)姆绞侥軌蚧謴屯ㄓ?。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(jù)的。因此在iCAN網(wǎng)絡中，通訊是否異常是通過“超時機制”判斷的。為實現(xiàn)通訊控制，在iCAN協(xié)議中定義了MACID檢測定時器、連接定時器、循環(huán)傳送定時器。

在MACID檢測中會使用到一個固定時間長度的MACID檢測定時器，通常設定為1秒。iCAN設備在成功發(fā)送MACID檢測報文后，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，則進入可操作狀態(tài)。

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

循環(huán)傳送定時器用于觸發(fā)傳送。在一個連接中當循環(huán)傳送定時器超時后，從站設備發(fā)送報文。循環(huán)傳送定時器通過定時循環(huán)參數(shù)進行設定。當連接建立時，并設置了循環(huán)定時參數(shù)后，從站設備的循環(huán)傳送定時器被激活。當從站設備的循環(huán)傳送定時器超時后，主動發(fā)送報文到主控節(jié)點。

iCAN在ADSL通信電桿檢測中的應用

ADSL通信電桿的檢測，包括傾斜角度、電纜盜竊等是通過工作人員到現(xiàn)場檢測的方法逐個記錄，且其分布散、數(shù)量大，所以費時費力。建立一個分布式的采集網(wǎng)絡，當通信電桿的傾斜達到一定角度時自動產(chǎn)生一個報警信號并通知主控PC，或檢測到有人在爬桿竊取電纜時產(chǎn)生一個報警信號并通知主控PC，并支持現(xiàn)場報警，這是實現(xiàn)ADSL通信電桿自動監(jiān)控的有效方法。

ADSL每隔3000m～5000m有一個中繼局，中繼局中有互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡接口，通過ADSL可直接上互聯(lián)網(wǎng)。中繼局之間每隔20m～30m架設一個通信電桿，每個中繼局之間大概有150個通信電桿。

網(wǎng)絡拓撲

ADSL通信電桿檢測網(wǎng)絡可采用CAN-bus和以太網(wǎng)構(gòu)成的兩級結(jié)構(gòu)，每個通信電桿上都有集成iCAN協(xié)議的8路開關量檢測AnyCAN模塊。將兩個中繼局之間的所有AnyCAN模塊和CANET-100/200都連接到CAN總線上，并在總線的兩端串接120歐姆的終端匹配電阻，CANET-100/200的以太網(wǎng)接口在ADSL中繼局中連入互聯(lián)網(wǎng)。

ADSL總監(jiān)控站的主控PC可以通過一系列固定IP地址，訪問多個ADSL中繼局的CANET-100/200設備。設備使用不同的端口號區(qū)分不同的iCAN網(wǎng)絡。由于CANET-100/200設備的以太網(wǎng)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(wǎng)絡，同時需要注意iCAN網(wǎng)絡的通訊數(shù)據(jù)流量管理。

網(wǎng)絡參數(shù)和性能分析

ADSL通信電桿檢測網(wǎng)絡不需要實時響應。單個iCAN網(wǎng)絡長達5000m，選用10Kpbs通信波特率，采用2mm2的非屏蔽雙絞線作為通信電纜，所有節(jié)點設定在輪循方式下工作?？稍O置主站通訊定時參數(shù)(CyclicMaster)為0，從站設備的連接定時器不裝載，不存在超時判斷，建立連接后可隨時進行通訊。輪循時iCAN幀的數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié)，對應的iCAN報文長度為83個位(忽略位填充時間)，所以iCAN網(wǎng)絡輪循一周的時間為：83位*0.1ms * 2 * 150節(jié)點 / 1000 = 2.49 s

要使網(wǎng)絡可靠工作，應保證網(wǎng)絡工作在60%的總線負載率下，控制iCAN網(wǎng)絡輪循時間為：2.49s/60%= 4.15s

因為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境復雜，PC軟件必須保證數(shù)據(jù)的可靠性，PC軟件為每個IP端口組合分配一個定時器并設定初值。當發(fā)出一個報文時，啟動定時器，當收到報文后，復位定時器并停止計時。如定時器超時，說明在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到應答報文，查詢報文或應答報文可能在互聯(lián)網(wǎng)通訊的時候丟失。此時，PC軟件自動重發(fā)查詢報文，重新啟動定時器。

主站軟件的編寫

CANET-100/200設備提供有iCAN協(xié)議API驅(qū)動函數(shù)，支持VC++、VB、Delphi、C++Builder、LabView等軟件開發(fā)環(huán)境。PC軟件開發(fā)的主要流程如下圖4所示。

圖4：PC軟件開發(fā)的主要流程

通過使用ZOPC-Server服務器軟件，可以在工業(yè)標準的組態(tài)環(huán)境中開發(fā)ADSL通信電桿檢測網(wǎng)絡的PC監(jiān)控軟件。常用的組態(tài)環(huán)境都支持OPC協(xié)議，比如組態(tài)王KingView、昆侖通態(tài)MCGS、三維力控，國外的如Intouch、iFix等。由于ZOPC-Server服務器軟件在內(nèi)部已有超時和重發(fā)機制，可以保證CANET-100/200設備管理iCAN網(wǎng)絡的實時性與可靠性。

本文小結(jié)

ADSL通信電桿分散度大、距離遠的特點使得CAN網(wǎng)絡是其最好的解決方案。iCAN協(xié)議的高可靠性和易使用性可以快速建立一個可靠的CAN網(wǎng)絡。我國ADSL電桿架設數(shù)量巨大，采用網(wǎng)絡化的數(shù)據(jù)采集控制將大大降低人力投入并提高ADSL服務質(zhì)量。