基于CAN總線的智能照明控制系統(tǒng)
隨著微機控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微機型燈光控制系統(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)成全分散式微機燈光控制系統(tǒng)，有效地解決了微機型燈光控制系統(tǒng)的不足。CAN 總線所需的完善的通信協(xié)議可由CAN 控制器芯片和接口芯片實現(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、可靠性高、便于擴展，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)計思想
系統(tǒng)設(shè)計從保證系統(tǒng)可靠性和降低成本并具有通用性、實時性和可擴展性等方面著手。
(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110個，最大傳輸速率1Mbps，最遠距離10km（也可以接CAN中繼器增加距離，但通信速率會下降）。同時具有極強的錯誤處理能力。
(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；另一類是獨立的CAN控制器，可以使開發(fā)人員根據(jù)需要選用比較實用的單片機。本系統(tǒng)選擇獨立的CAN控制器。
(4)該系統(tǒng)的上位機是PC機。由于PC機有多條擴展槽，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)計功能豐富的計算機軟件。該系統(tǒng)的控制臺由PC機、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向各個控制器發(fā)送控制數(shù)據(jù)以及各控制器向控制臺發(fā)回各種檢測信息。
2 智能照明節(jié)點模塊的硬件設(shè)計
智能節(jié)點結(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。
上位機可以根據(jù)傳感器所提供的外界光照度，判斷此時的燈光亮度范圍，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，其可將光信號變成電信號，電信號的大小隨光的強弱成比例變化，所以使用它可以根據(jù)室外光線照度的變化對燈光進行調(diào)節(jié)，在保證一定標(biāo)準(zhǔn)照度的同時最大程度地節(jié)約能源。傳感器2是熱釋電傳感器，其只對運動的人或物體敏感，利用它可以知道房間里是否有人，進而可以及時地將無人區(qū)的燈關(guān)掉，以免造成不必要的浪費。
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誤檢測功能，并且在檢測到錯誤時能自動重復(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，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，提供向總線的差動發(fā)送功能和對CAN控制器的差動接收功能。
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可以存儲掉電前所需保護的重要參數(shù)、CAN節(jié)點的配置參數(shù)，包括屏蔽字和驗收碼、報文定義等。
CAN總線適配卡可以自己設(shè)計，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
智能照明節(jié)點模塊的軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，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)計主要包括單片機的初始化程序、報文發(fā)送和接收程序以及CAN總線的初始化設(shè)計，這是CAN總線設(shè)計中的重要一環(huán)，也是一個設(shè)計難點。為了提高通信的實時性，采用中斷接收方式。為了能支持更多的CAN協(xié)議功能，在初始化時使SJA1000工作在Peli CAN模式。智能照明節(jié)點主流程如圖3所示。
上位機監(jiān)控軟件采用Delphi實現(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、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)，通過上位計算機進行燈光調(diào)控，有一定先進性。該系統(tǒng)經(jīng)擴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)濟價值。
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