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基于LonWorks總線的隧道燈光控制系統(tǒng)

2008-07-04
作者:黃天戍, 羅璠,,劉 超

??? 摘 要: 提出了一種基于LonWorks總線的遂道燈光智能控制系統(tǒng),,設計采用神經(jīng)元芯片" title="神經(jīng)元芯片">神經(jīng)元芯片PL3120作為控制核心,以照明系統(tǒng)的供電線路作為通信介質(zhì),,各智能節(jié)點" title="智能節(jié)點">智能節(jié)點通過協(xié)同工作,,能夠簡單而高效地實現(xiàn)隧道照明" title="隧道照明">隧道照明的自動化控制,。
??? 關鍵詞: LonWorks總線? PL3120? 智能節(jié)點? 隧道照明自動化

?

??? 隨著經(jīng)濟和科技水平的不斷發(fā)展,我國的交通網(wǎng)絡越來越發(fā)達,,隧道結(jié)構(gòu)在其中起著重要的作用,。然而,,隧道結(jié)構(gòu)的正常工作需要合理的照明條件作為保障。隧道照明的作用是使車輛能夠安全地進入,、通行和離開隧道區(qū)域,。駕駛員常常在進入和離開隧道的時候有一種視覺上的不適應,那種“眼前一黑”和“眼前一亮”的感覺,,經(jīng)常會引發(fā)一些交通意外,。正是基于這些,隧道內(nèi)的光線設計務必要讓駕駛員較快地適應隧道內(nèi)的照明環(huán)境,,從而保證通過隧道時的交通安全,。
1 系統(tǒng)概述
??? 本文所提出的方案是基于LonWorks總線技術的智能燈光控制系統(tǒng)。選擇LonWorks總線主要基于兩個方面的原因,。首先,,LonWorks總線可以選擇電力線作為通信介質(zhì),系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換能夠直接使用照明系統(tǒng)的供電電源線,,無需專門鋪設通信電纜,,可以大大地節(jié)省工程費用;另外,,隧道可能長達數(shù)千米,,其中的調(diào)光節(jié)點數(shù)目較多,LonWorks總線強大的網(wǎng)絡通信能力能夠很好地滿足通信距離和通信效率的要求[1],。
??? 本系統(tǒng)采用管理層和現(xiàn)場層兩層結(jié)構(gòu),,如圖1所示。管理層通過因特網(wǎng)互連,,并由上位機通過訪問iLon100網(wǎng)關獲取LonWorks現(xiàn)場中各個節(jié)點的信息,,同時完成LonWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡的安裝維護、配置,、監(jiān)測等,。iLon100網(wǎng)關是系統(tǒng)中的一個通信樞紐,同時也相當于現(xiàn)場層中的一個特殊節(jié)點,,管理層的所有信息都先傳達給它,,然后由它通過電力線向各節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。現(xiàn)場層以LonWorks現(xiàn)場總線技術為基礎,,以神經(jīng)元芯片為核心,,各個節(jié)點協(xié)調(diào)控制隧道中各處的燈光亮度。設計中現(xiàn)場層采用總線型拓撲結(jié)構(gòu),,以電力線為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換[2],。


??? 由于各個智能節(jié)點的信息交換可以直接通過輸入或輸出網(wǎng)絡變量來完成,并且各個智能節(jié)點都是掛在通信介質(zhì)電力線上,因此任何一個LonWorks節(jié)點出現(xiàn)故障只影響其本身而不會危及整個系統(tǒng),,這種徹底的分散型控制體系提高了系統(tǒng)的可靠性,、自治性和靈活性。特別是監(jiān)控計算機出故障時,,整個系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作,,保證隧道的正常運行,這和以往的控制系統(tǒng)相比具有極大的優(yōu)越性,。

2 各節(jié)點硬件,、軟件設計
??? 系統(tǒng)節(jié)點的物理結(jié)構(gòu)采用雙層模塊化設計,將以神經(jīng)元芯片為核心的中央處理單元(CPU)單獨設計為一塊電路板,,然后通過插針插于功能模塊之上,,以便于系統(tǒng)的調(diào)試與檢查,同時也可以減少不必要的干擾[3],。功能模塊也就是實現(xiàn)光照度檢測和燈光亮度調(diào)節(jié)的具體電路,,它們只需要在接收到CPU的控制信號之后產(chǎn)生適當?shù)膭幼骶湍芡瓿烧麄€功能了。電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,,中間虛框部分為CPU板的基本結(jié)構(gòu),它是每個節(jié)點都共有的核心模塊,;左邊虛框部分則是光照度檢測節(jié)點所特有的,,其功能是將光照度信息轉(zhuǎn)換為電壓并量化,然后送給燈光亮度控制節(jié)點" title="控制節(jié)點">控制節(jié)點進行算法處理以控制隧道內(nèi)各燈的亮度,。此節(jié)點在系統(tǒng)中共設兩個,,隧道出口和入口各1個(參見圖1)。右邊虛框部分為燈光亮度控制節(jié)點所特有,,其功能是在接收到光強檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)后,,按照擬訂的算法控制數(shù)字電位器輸出適當?shù)哪M電壓,以控制隧道內(nèi)各燈的整流器從而達到控制光強的效果,。此節(jié)點需根據(jù)隧道的長度設立若干個,。每個節(jié)點有不同的地址,對應于隧道中不同的位置,,其燈光亮度就結(jié)合該地址而對應控制,。


??? 以下對各節(jié)點硬件電路及程序設計分別進行介紹。
2.1 CPU部分電路設計
??? CPU板的主芯片采用Echelon公司生產(chǎn)的PL3120,。PL3120是專用于電力線系統(tǒng)的神經(jīng)元芯片,,其內(nèi)部集成了一個神經(jīng)元處理核和一個電力線收發(fā)器。該芯片除了具有普通神經(jīng)元芯片的性能,,更重要的是它具有一個專用的電力線收發(fā)器,,能夠方便地應用于電力線作為通信介質(zhì)的場合,而且它具有獨特的雙載頻技術,,能夠在主要通信頻率被阻塞時啟用預備頻率工作,,從而提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。
??? 本系統(tǒng)工作于CENELEC(歐洲電工標準化委員會)的C波段,其通信主頻為132kHz(預備頻率為115kHz),,對應的時鐘典型值為10MHz,。PL3120芯片的12個I/O" title="I/O">I/O口,可以通過編程實現(xiàn)SPI和I2C等I/O對象與其他電路接口[4],。
??? 由于系統(tǒng)以電力線為傳輸介質(zhì),,通信模塊是通過電源電路耦合到電力線上進行傳輸?shù)模虼?,電源模塊的正確設計是保證節(jié)點正常工作的關鍵因素,。
??? 系統(tǒng)的每一個節(jié)點都設計有獨立的電源供電并提供通信通道。在該電源電路中,,220V電源有兩條支路:一路信號經(jīng)過普通變壓器和三端穩(wěn)壓芯片得到15V,、12V和5V的直流電壓。為通信模塊發(fā)射電路,、傳感器和IC芯片等供電,。220V電壓的另一路信號則通過專用的1:1通信變壓器連到PL3120芯片的對應引腳,實現(xiàn)發(fā)射接收模塊與電力線的安全連接,。發(fā)射接收模塊的電路設計則可以在確定了時鐘和通信頻段之后參考Echelon公司的數(shù)據(jù)手冊得到,。
2.2 光照度檢測節(jié)點硬件電路及程序設計
??? 光照度檢測節(jié)點的功能是測量隧道口光照的強度。本系統(tǒng)中使用的光照度傳感器的測量范圍為0~4000勒克斯(Lux),,對應的輸出量為0~20mA電流,,使用時在其輸出引腳上接一個250Ω的電阻,可將電流信號轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓以便于AD轉(zhuǎn)換器采樣,。AD轉(zhuǎn)換器使用Microchip公司的MCP3004,,CPU通過讀取ADC轉(zhuǎn)換的電壓值即可計算出光照強度的大小。應用中采用3個相同的傳感器測量同一位置的光照度,,取其平均值以減小測量誤差,,同時還可以分析三者測量數(shù)據(jù)的偏差來判斷傳感器的工作是否正常。
??? 光照度測量節(jié)點的電路設計如圖3,,PL3120通過編程實現(xiàn)串行SPI接口完成對AD轉(zhuǎn)換器MCP3004的控制,,其中IO8作為時鐘線與AD芯片的CLK引腳相連,IO9和IO10分別作為數(shù)據(jù)的輸入和輸出線與Din,、Dout相連,,IO0作為片選信號與CS引腳相連。由于神經(jīng)元芯片和AD模塊分處于兩塊電路板上,,為了避免兩路電源之間的干擾,,使用4片光耦隔離芯片6N137進行電源隔離。

2.3 燈光亮度控制節(jié)點設計
??? 在本系統(tǒng)中,燈光強度控制節(jié)點是隧道照明的核心部分,。首先將照明情況分成64級,,即晴天最大亮度定為63級,夜間最低亮度定為0級,,由入口處的測光節(jié)點所測得的亮度數(shù)據(jù)確定外界亮度等級,,然后根據(jù)隧道的長度確定隧道中光強控制節(jié)點的數(shù)目和位置,并根據(jù)隧道照明曲線計算隧道內(nèi)的各點的亮度等級,。調(diào)光節(jié)點收到亮度級數(shù)信息就會輸出對應的調(diào)光電壓來控制電磁感應無極燈,。
2.3.1 隧道照明段的設計
??? 本照明系統(tǒng)參照中華人民共和國交通部發(fā)布的《公路隧道設計規(guī)范》將整個隧道從入口到出口劃分為入口段、中間段和出口段三個部分[5],,并將亮度曲線離散化后轉(zhuǎn)換成對應的亮度等級,,方便程序進行控制。以上三段的長度可以根據(jù)隧道總長進行劃分,,整個系統(tǒng)以隧道中央為對稱點,,入口段亮度由外界亮度逐級遞減,中間段則全部保持最低的亮度等級,,到出口段再逐級增加,。
2.3.2 無極燈的開關及亮度控制
??? 燈光亮度控制節(jié)點的功能是控制隧道內(nèi)各盞燈的開、關以及燈打開時的亮度,。共有兩個控制信號輸出,,一個是由繼電器輸出的開關量,另一個則是數(shù)字電位器X9241輸出的0~5V的模擬控制量,,以控制無極燈整流器的輸出電壓。
??? 開關控制電路如圖4,,只需由CPU的IO0腳輸出一個高電平,,光耦TLP521-1導通,繼電器由三極管驅(qū)動吸合之后,,220V供電電源即與無極燈連通,,燈被點亮。圖中繼電器之上反向并聯(lián)一個二極管是為了防止繼電器斷開時產(chǎn)生的反向電動勢擊穿三極管,。


??? 0~5V的模擬量控制電壓由CPU控制數(shù)字電位器X9241輸出,。X9241有一個標準的I2C接口,能夠方便地和PL3120接口,。其電路較為簡單,,只需要將PL3120的IO8作為時鐘線,IO9作為雙向串行數(shù)據(jù)線,,同時定義IO7作為方向控制信號,,用于控制數(shù)據(jù)的傳輸方向,根據(jù)I2C總線協(xié)議編程即可方便實現(xiàn)控制??毓夤?jié)點的程序流程設計如圖5,。

??? 本文所設計的系統(tǒng)能夠很好地利用LonWorks總線強大的通信功能,實現(xiàn)隧道中多節(jié)點的協(xié)同工作,;同時利用無極燈的供電電源線路作為通信介質(zhì),,不僅大大地提高了通信效率,而且節(jié)省了鋪設電纜的費用,。
??? 通過7個智能節(jié)點的模擬實驗,,可以看到各節(jié)點能夠在通信距離達600米的模擬隧道中實現(xiàn)各自的功能并完成通信數(shù)據(jù)的交換,同時可以檢查出傳感器的故障情況,,達到了預期的效果,。
參考文獻
[1] 凌志浩.從神經(jīng)元芯片到控制網(wǎng)絡[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.
[2]?劉永生. Echelon公司的電力線載波通信技術[J].儀器儀表標準化與計量,2002,,(9):20-22.
[3]?黃天戍,,祁昶.Lon總線多點I/O智能節(jié)點的開發(fā)[J].電子技術應用,2002,,28(9):37~39.
[4]?Echelon Corp. PL3120/PL3150 Power Line Smart Transceiver Data Book. Version 2.0 2004.
[5]?重慶交通科研設計院.公路隧道設計規(guī)范.北京:人民交通出版社,,2004.

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