AUTBUS總線介紹及智慧燈桿系統(tǒng)中的應(yīng)用

蘇盤社 薛兆井

（北京東土軍悅科技有限公司 北京市 100041）

1 引言

目前我國工業(yè)控制系統(tǒng)普遍采用兩大類型的現(xiàn)場總線；一種是以CAN[3]總線，PROFIBUS 總線、HART 總線等為代表的現(xiàn)場控制總線，采用總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持多節(jié)點(diǎn)共享總線，傳輸速率低，但可支持長距離傳輸；另一種為現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)總線[4]，主要采用星形拓?fù)洌畲髠鬏斔俾蕿?00Mbps，傳輸距離100m，另外，為了防止碰撞，需要使用交換機(jī)增加網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點(diǎn)數(shù)。智能制造是現(xiàn)代制造業(yè)信息化發(fā)展的新階段，要求現(xiàn)場控制總線需要滿足長距離，寬帶傳輸，高實(shí)時，多節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)刃枨螅陨系膬煞N工業(yè)總線都不能滿足，我們介紹一種現(xiàn)場高速控制總線，即AUTBUS 總線，采用了正交頻分（OFDM）高帶寬傳輸技術(shù)作為高速控制總線的物理層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長距離，高速率總線傳輸。

2 AUTBUS總線概述

AUTBUS 總線是基于OFDM 調(diào)制的主要適用于控制節(jié)點(diǎn)和多用戶節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境的寬帶有線接入系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由控制節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，控制節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)通過一對差分線連接構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)。控制節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)及用戶節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，控制節(jié)點(diǎn)對整個網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行控制，完成網(wǎng)絡(luò)配置和初始化，以及對物理層信道進(jìn)行調(diào)度。同時控制節(jié)點(diǎn)還完成AUTBUS 控制總線網(wǎng)絡(luò)與外界的通信。

圖1：AUTBUS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個高速控制總線網(wǎng)絡(luò)中通常只有一個控制節(jié)點(diǎn)。在可靠性要求高的應(yīng)用場景，也可以有兩個控制節(jié)點(diǎn)互為備份，但同時只有一個控制節(jié)點(diǎn)工作。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

其中TN 為控制節(jié)點(diǎn)，MN 為控制節(jié)點(diǎn)，虛線框?yàn)閭浞莸目刂乒?jié)點(diǎn)。

高速控制總線發(fā)射和接收系統(tǒng)的物理層過程如圖2所示。在發(fā)射過程中，數(shù)據(jù)流分別經(jīng)過加擾、RS 編碼、卷積編碼后進(jìn)行數(shù)據(jù)交織，再通過QAM 調(diào)制后形成OFDM 信號，根據(jù)不同的發(fā)射模式將數(shù)據(jù)組合成幀后在電纜線上發(fā)射出去。接收系統(tǒng)是發(fā)射系統(tǒng)的逆過程，用以從線路編碼信號中將數(shù)據(jù)流準(zhǔn)確的解碼、還原出來。

AUTBUS 控制總線數(shù)據(jù)帶寬：100Mbps/500 米；最小循環(huán)周期：8us；支持節(jié)點(diǎn)數(shù)254 個；傳輸誤碼率：≤10e-11；總線時鐘精度：10ns。

3 AUTBUS總線原理

圖2：物理層處理過程

圖3：幀格式設(shè)計(jì)

圖4：時頻資源分配

圖5：智慧燈桿系統(tǒng)的傳統(tǒng)組網(wǎng)方式

圖6：智慧燈桿系統(tǒng)的AUTBUS 組網(wǎng)方式

AUTBUS 控制總線系統(tǒng)采用了基于OFDM 技術(shù)的設(shè)計(jì)，可同時支持時分復(fù)用和頻分復(fù)用的工作模式。物理層信號的基本單元是OFDM 符號，64 個OFDM 符號組成一個信號幀。其中每個OFDM符號又在頻域子載波上平均分為上邊帶和下邊帶兩部分，其中高頻率子載波部分（16.896-32.256MHz）稱為上邊帶，低頻率子載波部分（1.536-16.896MHz）稱為下邊帶，在AUTBUS 分配通道資源時，上、下邊帶可以分配給不同的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。幀格式如圖3所示。

AUTBUS 信號幀如圖4所示，可分解的元素有：幀導(dǎo)頻信號，下行子幀，可分配資源等，其中：幀導(dǎo)頻信號用以識別一個信號幀的開始，具有信號幀同步和幀頭定位的功能。幀導(dǎo)頻信號固定在每幀的第1，2 個OFDM 符號的下邊帶部分。

下行子幀用于從控制節(jié)點(diǎn)發(fā)往各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和信息。可包括信道、帶寬分配情況，系統(tǒng)維護(hù)信息，傳輸數(shù)據(jù)等多個內(nèi)容。下行子幀可包含≥2 個OFDM 符號的下邊帶部分。

可分配資源最小單位為2 個OFDM 符號的半邊帶，在圖4 中所有空白部分均為系統(tǒng)可分配資源，控制節(jié)點(diǎn)和各終端節(jié)點(diǎn)均可根據(jù)需求申請對應(yīng)資源并用來傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 AUTBUS總線在智慧燈桿系統(tǒng)的應(yīng)用

智慧燈桿作為智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施，是智慧城市的重要“入口”。可集成照明、信號燈、音視頻監(jiān)控設(shè)備、并依托強(qiáng)大的綜合管理平臺，實(shí)現(xiàn)智慧照明、智慧安防等諸多應(yīng)用。

在智慧燈桿系統(tǒng)的傳統(tǒng)組網(wǎng)方式如圖5，所有信號燈和攝像頭設(shè)備都需要通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接到信號控制器上，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾切芜B接，布線復(fù)雜，設(shè)備成本高。

在智慧燈桿系統(tǒng)使用AUTBUS 控制總線組網(wǎng)方式如圖6，所有信號燈和攝像頭設(shè)備通過單對雙絞線以總線方式連接到信號控制器上，每個信號燈傳輸速率約為1Kbps，通常攝像頭傳輸速率為5Mbps，一個路口通信距離約300 米，因此一個AUTBUS 控制總線單網(wǎng)段就可完成一個路口智慧燈桿系統(tǒng)的組網(wǎng)，極大地簡化交通控制現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有效降低工程施工及維護(hù)成本。