1、基于CAN總線的道路照明控制系統設計與實現（第i頁）來源：同濟大學電子與信息工程學院，上海作者：高磊，余有靈，張志明瀏覽：816人次發布：2012-03-20注：其他網站轉載須注明出處，轉載而不注明出處者，一經查實，將追究其法律責任傳統城市道路照明系統對回路實現整體控制，只能實現回路路燈整體開關，不能對回路中的單個路燈進行單點控制，且靈活性差。為實現路燈節能降耗，提出了一種基于CAN總線的道路照明控制系統的設計與實現方法，采用智能化控制策略對傳統路燈照明系統進行改進，使用英飛凌16位單片機對車輛通過信息進行采集和處理，預先調整路燈亮度。論述了系統子節點路燈控制器和主節點回路控制器的工作原理和硬

2、件設計方案，并介紹了該系統的軟件結構框圖，經實驗證明了該方案的有效性。近年來隨著國內城市化進程的快速發展，道路照明設施的規模和數量迅速擴大，道路照明耗電迅速上升，且存在較嚴重的用電浪費現象。傳統的城市道路照明系統一般由專用的回路箱對回路中的高壓鈉燈統一控制，實現回路內整體開關，不能對回路中的單個路燈進行單點控制，靈活性較差，同時鈉燈供電電壓高，耗電量大且需要配備鎮流器，不同時段下城市用電負荷的變化也會影響高壓鈉燈的使用壽命，因此還需要對回路電壓進行調整。此外，由于缺乏有效的監測手段，不能根據路面實際狀況進行“按需照明”。如今，在對道路照明的質量標準提出要求的同時，如何有效降低能源消耗也成為了新

3、的研究方向1。目前部分地區為節能降耗，實行“半夜燈”制度，通過采取“亮一隔一”的方式關閉部分路燈，但是破壞了路面照度均勻度，對于交通安全和社會治安十分不利。為了有效實現回路內單點控制，并且提高數據傳輸的實時性和可靠性，采用CAN總線進行報文傳輸，以LED光源代替高壓鈉燈，實現串行通信網絡中的分布式控制，擺脫了傳統RS485總線主站輪詢的通信方式，并且有效節約能源。在控制策略上同時綜合考慮時間、路段、環境照度和交通流量等場景因素，按照預設的TPO控制策略2,最大限度實現信息交互。1道路照明控制系統基于CAN總線的道路照明控制系統的組成原理圖如圖1所示。該系統主要由底層CAN節點控制器部分和計算機

4、監控部分組成，節點控制器分為子節點路燈控制器（RTU）和主節點回路控制器（LTU），底層總線采用普通雙絞線作為通信介質。在傳感器模塊中，各節點上配置磁傳感器（或壓力傳感器）用于檢測車輛信息，照度傳感器采集照度信息。同時回路定時采集電流、電壓、功率因數等電參數，各節點LED調光電路可設定多個等級的路燈亮度。通過CAN總線實現路燈子節點之間，以及子節點與主節點之間的信息通信。計算機監控部分負責控制策略的調整。主節點回路控制器向計算機監控部分上傳狀態參數，存儲到數據庫中，計算機比對正常數據，對回路中的異常情況進行判斷，確定異常位置,向主節點發送控制指令。系統功能：監控交通流量和天氣情況；單燈故障檢測

5、；監控電能消耗；控制電流實現單燈調光；在確保功效的前提下，合理調整亮燈數量和時間。2車輛信息控制的工作原理主節點按照TPO（timeplaceoccasion）控制策略，對多種策略進行融合，以LED燈為控制對象。主要的控制策略包括：分時段時間控制。針對不同時段的照明需求，采用等級化照明亮度，在夜晚繁忙時段控制所有路燈保持高亮，在接近午夜時因車流量稀少，調整路燈為較低亮度，為近一步實現智能照明，還可以開啟車輛信息控制模式，檢測車輛通過信息調整亮度環境參數控制。根據光照、交通流量等實際的環境參數調整照明控制，以獲得更好的照明質量和節電效果，例如在天氣不佳、能見度較低的情況下提前開啟路燈，或者監測到

6、車輛流量在某一時段內突變（激增），及時調整路燈為高亮以應急。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，對其照明亮度的需求可能也不同，利用LED單燈控制的特點，可以指定回路中的某些子節點組成組群，實現不同的場景控制。例如某些節點僅使用時間控制策略，某些節點使用車輛信息控制策略，而對關鍵路段的子節點（例如警示燈、景觀燈）則不調整，始終保持高亮。車輛信息控制。車輛信息控制策略與傳統照明策略相比，更好地體現出“按需照明”的特點，主動感知道路上的車輛情況，調整當前路段亮度，并引入對下一路段照明需求的預判機制，在車輛未行至前，提前調整路燈亮度為高亮。本文重點介紹車輛信息控制策略的實現方

7、式，該方式依據車輛大致位置和行進方向進行閉環控制，可以對前方路段進行照度調節。系統主節點回路控制器首先請求各子節點車輛通過信息，并對車輛信息進行綜合，判斷當前回路中哪些節點位置有車輛通過，在該位置和車輛行駛的下一路段位置處，請求路燈亮度信息，判斷子節點的路燈亮度是否為高亮狀態，對1所示。亮度為低亮的路燈子節點發送亮度調整信息，使其變為高亮以配合車輛行駛，而暫不影響與車輛行駛無關的其他子節點，實現單燈控制，控制效果如圖當主節點發送帶有某一ID標識符的車輛信息請求幀時，若在各個子節點內均定義了該ID標識符，則子節點均可接收到該車輛信息請求幀。若多個子節點同時檢測到有車輛通過，主節點中的接收車輛信息

8、報文對象可通過設定屏蔽位，并根據CAN的無破壞性位仲裁機制3,依次接收多個子節點的報文信息。子節點亮度信息的請求與發送方式類似于車輛信息。各個子節點均可接收單點亮度控制幀，在數據段中可判斷與自己的地址是否一致，如果一致則修改當前的路燈亮度。3節點控制器的組成節點控制器采用英飛凌16位微處理器XE164FM4-5,其中MultiCAN模塊具有4個獨立CAN節點，多達128個獨立消息對象(messageobject),數據傳送速率最高達1Mbit/s,外設部分包括CAN收發器模塊、串口通信模塊、LED調光電路模塊、車輛傳感器模塊、電源模塊、照度傳感器模塊接口、LCD顯示模塊接口，JTAG在線調試接

9、口等，如圖2所示。CAN收發器采用IFX1050G，通過定時器GPT1模塊可產生不同占空比的PWM波,通過IO輸出PWM波到LED調光模塊設定路燈亮度。T2在T3定時溢出后發生上升沿跳變時觸發，將T2寄存器重載到T3定時器，T4在T3定時溢出發生下降沿跳變時觸發，將T4寄存器中的內容重載到T3寄存器。設定值與亮度如表1所示。車輛傳感器模塊中采用干簧管繼電器，干簧管體積小、質量輕，通斷時間為13ms,當模型車行駛到干簧管附近時，管內接點會吸合，傳感器模塊采樣到車輛通過信息，采樣輸入端電平被拉低。在實驗模型中，LED調光電路模塊中采用MBI1804驅動芯片，提供了4個恒流輸出通道，具有高輸出電流能

10、力，最大電流輸出值為240mA，可直接輸入由XE164FMLout端輸出的PWM波，調整范圍為100%0%,如圖3所示。串口通信模塊用于與上位圖3節點硬件電路簡圖機進行通信。1 IO ifX'L-XUi runK IXI nm m»i IMIUIH. IJVct1I rflppi> tpl，lj r & o.rr?-r11-(I L2- uT1IN E2INR HXFI KOLFTGE*1 IO1 I11()1 YHllR2MVIM)VI匚MA-SE ,'ih_ (.-EU 即F。I -vetI xl>RXUIM I RM SI)IT XI Mix

11、.CAhli»j節點件型3s簡圖4軟件實現使用英飛凌公司DAVE自動代碼生成軟件可以對單片機內各模塊進行圖形化配置，有效地提高了編碼效率。節點發送時采用查詢方式發送報文，通過讀取狀態寄存器值判斷節點是否處于接收狀態，然后再判斷上次發送是否已成功，若上次發送已成功，只需將待發送的數據按特定格式組合成數據幀報文，送入發送緩沖區中即可發送。接收時采用中斷方式接收報文，初始化程序中使能接收中斷。主節點控制器初始化部分配置報文對象MO1MO5,功能如圖4所示。TASK1和TASK2定時觸發，廣播車輛信息請求和亮度信息請求，TASK4對車輛通過節點和下一節點發送亮度控制幀，TASK5判斷車輛通過

12、亮度調整后與TASK4預設亮度是否一致，并將上一節點的亮度恢復普通等級。TASK3恢復所有節點普通亮度，如圖5所示。如圖6所示，子節點控制器對報文對象和幀更新位進行初始化，3個更新位分別與主節點的發送請求相對應。TASK1定時觸發，判斷有無車輛通過信息，TASK2由CAN中斷指針觸發，對接收到的幀更新位判斷，進入相應的處理單元。MO3IsUpdated置位發送車輛通過信息，MO4IsUpdated置位發送當前亮度信息MO5IsUpdated置位對PWM占空比調整設定節點亮度。退出ProcCAN時復位各幀更新位。圖4節點報文對象的配置圖5主節點程序流程圖5實驗結果與分析在CrossViewPro

13、C166中可在線查看MultiCAN中各個報文對象的數據段。以子節點1和子節點2為例進行分析。當車輛行駛到子節點1時，主節點向子節點發送車輛信息和亮度信息請求，圖7(a)上和左中所示為子節點1車輛信息發送幀和亮度信息發送幀中的數據內容，圖7(a)下為子節點1從主節點接收到的亮度調節信息內容，其中低8位為節點地址，高8位為車輛或亮度信息。子節點2未檢測到車輛通過(0x00,圖7(b)上)，且當前亮度為低亮(0x01,圖7(b)中)，在主節點發送的亮度調節信息中，將子節點2的亮度調節為高亮(0x02,圖7(b)下)。圖6子節點程序流程圖圖6子節點程序流程圖(a)節點I信息(b)節點2信息圖7子節點

14、報文對象數據(狀態1)圖7子節點報文刻象數據(狀態1)ISSN.MODai其皿MuJQa£3N叩組.加|軸州二|上加flit*|DEicriptionVai*.07Mfl&mSLL.hls：i5Cui_Madataell_emr1SEtAN.MOtlATAail*cjSEi后引加3"I浦頷LLpdH|&2DrMnptiQnVMrQ'7CAN.MQCATA?LL.Um(7x18C*N_MQCAIA3lL_004®TEN-MO3AAl-LL,W.”=舊ESMittBh*&F£(ript*cnV*l.,&7*此即OOAl

15、dLL.©X?815“N川OOCMLLrGxlON_WeOAU16LL,附n勾£3R*.j5iflaK|UWtnBrt*Orsc<iptk；r>Val._1a75.MOCM“10LLt,(h?815"NZDOdEL0x2gfCAN.MOOAUU、Mr“0回S3R/inei心n|QMJibiEhqDenriphew廿史0-7"NMOUATMEL.%1l81，CAMMODATiqn.j.M®fCAN.MI03ATA17LLMe.o9t3fcSSFUMtf*Brt*DfrwriptienVal.電7CAN_MDPA"A17LL6

16、3815C.AMiMOOAWH.82(a)節點I信息(b)節點2信息圖S子節點報文時象數據(狀態2)當車輛行駛到子節點2時，圖8(a)下所示，子節點1接收到主節點發送的亮度調節信息恢復至普通亮度(0x01),圖8(b)下可知子節點2保持高亮狀態。圖9所示，當車輛繼續行駛一段時間后，各個子節點均未檢測到車輛通過信息，主節點向子節點發送亮度調節信息，均恢復普通亮度。QtC-AN_MOOA7AfiLLMe;.Id®|描“EM麗|DesuipticnViL.10-7(.AN_M(X>tTA-bllmieisCANJMCDAUfLL0x0KrN_M0llATA14ll-M-fol

17、4;而MH皿以懶2IIUpAuW肥.Ml"，fl7(AN_M0rAlA14lL9k28J5CANMDDATA14LLM皆CANMQDA7A3LMv.RtfMteriMkft胸1口，.|Fjtif-Bit#|E如匹Ort點ZJ:o-TCAf<Mac<TABii_o-r&15CAN.MOCSLLa_Oil電(。電MQCXMU-Mi.*!國'£3'vafatmicfi以v*|Q«=制an|VgL|C-7ON_MQDATA9LL，Qicl83CAN.MQDATAgiAL8】HCAN.MODATA16LL-M.曰盲才Rcgmavdfcifl|0w021?'!|U加*EM|Dcicripitiori|¥”,0-7CAN_MOD*TA16LL_MB-L5CAN_M0DAT