摘 要： 一種基于CAN總線的室內(nèi)智能照明" title="智能照明">智能照明系統(tǒng),。介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),、控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)通信。該系統(tǒng)具有組成成本低,、可靠性高,、施工難度低、靈活性高以及電磁污染低等優(yōu)越性,，有著廣闊的應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞： CAN總線 燈光控制系統(tǒng)? 單片機(jī)? 傳感器
隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展和社會(huì)物質(zhì)文化水平的不斷提高，人們開始追求燈光藝術(shù)帶來的美的享受,，注重照明和其他相關(guān)設(shè)備,、系統(tǒng)的整體控制效果。照明控制系統(tǒng)的安裝便捷性,、可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為關(guān)注的熱點(diǎn),。智能大廈內(nèi)需大量的燈光照明設(shè)備，傳統(tǒng)的控制方法是將被控制的設(shè)備用連線引入控制室,，這樣不僅造成電力電纜鋪設(shè)過多,，增加了投資成本，而且還大大增加了燈回路的輻射干擾,，對空間電磁環(huán)境造成了污染,。智能照明控制系統(tǒng)為智能辦公大廈的照明提供了新途徑。
隨著微機(jī)控制技術(shù)" title="控制技術(shù)">控制技術(shù)的發(fā)展,，出現(xiàn)了微機(jī)型燈光控制系統(tǒng),。它采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，使得照明燈的電力線路可以不再經(jīng)過控制室,，而直接引入頂棚或馬道,。這種控制方法不僅可以方便地控制燈光的亮度，還減少了電力線路及相應(yīng)設(shè)施投資,，減少了燈回路的輻射干擾,，而且可以使燈回路采用母線方式布線，線路規(guī)整,，便于安裝維修,。但在目前使用的微機(jī)型燈光控制系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)通信大多采用RS-232,、RS-485,、20mA 電流環(huán)等通信方式，因而普遍存在通信距離短,、數(shù)據(jù)傳輸速度慢,、誤碼率高,、可靠性差等問題。
在微機(jī)燈光控制系統(tǒng)中引入開放系統(tǒng)互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場總線可解決上述問題,。本文介紹的基于CAN總線的微機(jī)燈光控制系統(tǒng)就是采用現(xiàn)場總線控制技術(shù),，構(gòu)成全分散式微機(jī)燈光控制系統(tǒng)，有效地解決了微機(jī)型燈光控制系統(tǒng)的不足,。CAN 總線所需的完善的通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)議可由CAN 控制器芯片和接口芯片實(shí)現(xiàn),，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度、組成成本,，縮短了開發(fā)周期,。這些是目前CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域、具有強(qiáng)勁的市場競爭力的原因,，也是在燈光控制系統(tǒng)中選用CAN網(wǎng)絡(luò)總線的理由所在。該系統(tǒng)投資少,、功能強(qiáng),、可靠性高、便于擴(kuò)展,，特別適合大型的智能辦公大廈對燈光設(shè)備的控制需要,。
1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想
系統(tǒng)設(shè)計(jì)從保證系統(tǒng)可靠性和降低成本并具有通用性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等方面著手,。
(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€式結(jié)構(gòu),，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)比環(huán)型結(jié)構(gòu)吞吐率低,，但結(jié)構(gòu)簡單,、成本低，且無源抽頭連接,，系統(tǒng)可靠性高,。
(2)CAN總線控制器工作于多主方式，采用多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)訪問總線,，支持主從或廣播方式,，最大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)110個(gè)，最大傳輸速率1Mbps,，最遠(yuǎn)距離10km（也可以接CAN中繼器增加距離,，但通信速率會(huì)下降）。同時(shí)具有極強(qiáng)的錯(cuò)誤處理能力,。
(3)CAN遵循ISO標(biāo)準(zhǔn)模式,。具體定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，在工程上,，這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器實(shí)現(xiàn),。CAN總線控制器通常有兩類：一類是在片的CAN微控制器,采用這種器件可以方便用戶制作印刷板,，電路圖也比較緊湊；另一類是獨(dú)立的CAN控制器,，可以使開發(fā)人員根據(jù)需要選用比較實(shí)用的單片機(jī),。本系統(tǒng)選擇獨(dú)立的CAN控制器。
(4)該系統(tǒng)的上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)是PC機(jī),。由于PC機(jī)有多條擴(kuò)展槽,，利用局域網(wǎng)通信卡，使得該系統(tǒng)很容易與其他部門連網(wǎng),，便于統(tǒng)一調(diào)度和管理,。另外選用PC機(jī)還可以充分利用現(xiàn)有的軟件工具和開發(fā)系統(tǒng)，方便快捷地設(shè)計(jì)功能豐富的計(jì)算機(jī)軟件,。該系統(tǒng)的控制臺(tái)由PC機(jī),、PC總線適配卡和相應(yīng)的軟件組成。
(5)傳輸介質(zhì)采用雙絞線,。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力,，在控制器與傳輸介質(zhì)之間采取光電隔離。
(6)信息傳輸采用CAN通信協(xié)議,。該系統(tǒng)的主要通信方式是控制臺(tái)向各個(gè)控制器發(fā)送控制數(shù)據(jù)以及各控制器向控制臺(tái)發(fā)回各種檢測信息,。
2 智能照明節(jié)點(diǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)
智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
從成本和難易程度考慮,，系統(tǒng)采用AT89C52作微控制器,。AT89C52是一種高性能、低功耗采用COMS工藝制造的8位微控制器,，擁有8KB的可編程閃存,，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種高效靈活的解決方案。其功能是根據(jù)上位機(jī)的給定值控制執(zhí)行器,。系統(tǒng)的執(zhí)行器是可控硅控制電路,，通過它提供均勻可調(diào)的輸出電壓以調(diào)節(jié)電燈的亮度。
上位機(jī)可以根據(jù)傳感器所提供的外界光照度,，判斷此時(shí)的燈光亮度范圍,，再向控制器發(fā)送控制數(shù)據(jù)，使執(zhí)行器按照設(shè)定的值調(diào)節(jié)燈光亮度,。傳感器1采用光敏傳感器,，其可將光信號(hào)變成電信號(hào)，電信號(hào)的大小隨光的強(qiáng)弱成比例變化,，所以使用它可以根據(jù)室外光線照度的變化對燈光進(jìn)行調(diào)節(jié),，在保證一定標(biāo)準(zhǔn)照度的同時(shí)最大程度地節(jié)約能源。傳感器2是熱釋電傳感器,，其只對運(yùn)動(dòng)的人或物體敏感,，利用它可以知道房間里是否有人,，進(jìn)而可以及時(shí)地將無人區(qū)的燈關(guān)掉，以免造成不必要的浪費(fèi),。
CAN控制器選用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000,。它是PCA82C200的替代產(chǎn)品，可完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性,，經(jīng)過簡單的總線連接可以完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能,。它能夠提供總線仲裁及錯(cuò)誤檢測功能，并且在檢測到錯(cuò)誤時(shí)能自動(dòng)重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù),，從而減少數(shù)據(jù)的丟失,，確保了系統(tǒng)的可靠性。它通過直接內(nèi)存映射方式訪問CAN 控制器,，同時(shí),，新增加的CAN模式（PeliCAN）還可以支持CAN2.0B協(xié)議。
CAN收發(fā)器采用Philips公司生產(chǎn)的PCA82C250,。它是CAN控制器與物理總線之間的接口,，提供向總線的差動(dòng)發(fā)送功能和對CAN控制器的差動(dòng)接收功能。
采用光電耦合是為將網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)內(nèi)部隔離,，以提高抗干擾能力。這里采用高速光電耦合器6N137,。
看門狗采用集看門狗,、復(fù)位電路與EPROM于一體的X25045。由于看門狗和EPROM有著重要的作用,，看門狗可以防止因程序的“跑飛”而引起故障,，EPROM可以存儲(chǔ)掉電前所需保護(hù)的重要參數(shù)、CAN節(jié)點(diǎn)的配置參數(shù),，包括屏蔽字和驗(yàn)收碼,、報(bào)文定義等。
CAN總線適配卡可以自己設(shè)計(jì),，但目前市場上的CAN總線通信適配卡產(chǎn)品較多,，而且技術(shù)也很成熟，所以選用了北京華控公司的HK—CANISO智能PC總線通信適配卡,。
3 智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
智能照明節(jié)點(diǎn)模塊的軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),，具有良好的模塊性，可修改性和可移植性,。程序用Franklin C51和ASM51語言混合編寫,。Franklin C51是一種與C語言十分類似的高級(jí)語言，具有較高的效率,，可讀性好,，易于修改,。采用C51可減輕軟件編程的工作量。軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的初始化程序,、報(bào)文發(fā)送和接收程序以及CAN總線的初始化設(shè)計(jì),，這是CAN總線設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，也是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn),。為了提高通信的實(shí)時(shí)性,，采用中斷接收方式。為了能支持更多的CAN協(xié)議功能,，在初始化時(shí)使SJA1000工作在Peli CAN模式,。智能照明節(jié)點(diǎn)主流程如圖3所示。
上位機(jī)監(jiān)控軟件采用Delphi實(shí)現(xiàn),，具有良好的界面和可操作性,。
國外的智能照明控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，無論室內(nèi),、室外,，然而我國在燈光調(diào)控、節(jié)能方面的研究起步較晚（目前,，燈光調(diào)控在美國的使用率70％,，歐洲40％～50％，亞洲10％～15％,，在日,、韓占15％～20％，而中國還不到１‰),。當(dāng)前較先進(jìn),、流行的燈光控制系統(tǒng)采用的“ShowNet”數(shù)字網(wǎng)絡(luò)也只是為將來應(yīng)用CAN協(xié)議打下基礎(chǔ)。本文在智能照明控制系統(tǒng)中應(yīng)用CAN總線技術(shù),，通過上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行燈光調(diào)控,，有一定先進(jìn)性。該系統(tǒng)經(jīng)擴(kuò)展后有著非常廣闊的應(yīng)用前景,，不僅是辦公大樓,、商業(yè)中心等公共場所理想的智能照明控制系統(tǒng)，且在節(jié)能方面也有著重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,。
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