基于ARM與電力線載波技術(shù)的廣場照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言
    目前大空間的廣場或教室等場所的照明系統(tǒng)絕大部分都采用完全照明的方式，即使只有某個(gè)部分區(qū)域有人活動(dòng)也會(huì)開放全部的照明設(shè)備，從而造成了巨大的電能浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)了基于ARM9和電力線載波通信技術(shù)相結(jié)合的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測大空間中各區(qū)域人員活動(dòng)情況，并根據(jù)控制指令以及事先設(shè)好的算法控制相應(yīng)區(qū)域的照明設(shè)備點(diǎn)亮及照明時(shí)間，并能夠?qū)刂菩畔ⅰ⒄彰髑闆r進(jìn)行記錄，便于管理與查詢。這樣在人員較少的時(shí)候，大空間中只有局部區(qū)域照明設(shè)備點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)約電能。

1 硬件組成及原理
    為了更好地實(shí)現(xiàn)控制與節(jié)能，將廣場照明系統(tǒng)分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都由一個(gè)單片機(jī)從機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)單獨(dú)控制。廣場分區(qū)照明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)兩部分。主機(jī)以S3C2410為核心，負(fù)責(zé)接收工作人員指令和從機(jī)傳過來的信息并實(shí)施全局控制，還支持信息存儲(chǔ)和查詢等；從機(jī)以單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)某特定區(qū)域檢測人員情況，并與主機(jī)以電力線載波的方式進(jìn)行通信，還負(fù)責(zé)該區(qū)域照明控制。下面就重要部分進(jìn)行分別介紹。

1．1 主控制器
    本系統(tǒng)的主控制器采用三星公司的S3C2410處理器，與電源電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器系統(tǒng)及復(fù)位電路共同組成微控制系統(tǒng)。復(fù)位電路選用了系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片IMP811S，可提供高效的電源監(jiān)視功能，確保系統(tǒng)工作正常。
    S3C2410是一款基于ARM920內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式處理器微處理器，運(yùn)行頻率可達(dá)203 MHz，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一系列完整的通用外圍接口單元，能夠提供高性價(jià)比的嵌入式解決方案。S3C2410系統(tǒng)外圍接口單元包括支持55個(gè)中斷源的中斷控制器，4路DMA控制器，117個(gè)通用I／O口，3個(gè)可編程波特率的UART，LCD控制器，8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，SD卡接口，1個(gè)多主機(jī)I2C總線控制器，2個(gè)SPI接口等。[!--empirenews.page--]
1．2 電力線通信接口
    主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間的通信是基于電力線載波方式的，因此必須在一個(gè)變壓器供電范圍內(nèi)。電力線載波通信的實(shí)現(xiàn)選用了高性能的通信芯片M1200E，MI200E是一款針對低壓電力線環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)的高性能通訊芯片，內(nèi)部集成了諸如多階開關(guān)電容濾波器，高效數(shù)字放大器，CRC-16硬件校驗(yàn)等多種電路，Mi200E數(shù)據(jù)速率為200～1 600 b／s。同時(shí)，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它可以實(shí)現(xiàn)200～1 600 b／s的自適應(yīng)速率。MI200E的頻率為57．6 kHz，76．8 kHz和115．2 kHz，該頻段符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)。
    圖2所示為S3C2410與MI200E芯片的硬件接線圖，圖中未給出MI200E的電源連接，實(shí)際使用需將其3個(gè)電源均接+5 V。S3C2410的SPI接口與MI200E的SPI引腳相連，并用GPF口控制其復(fù)位和片選，還將Q1和Q2的輸出接S3C2410的EINTO中斷引腳，這樣發(fā)送完畢就會(huì)產(chǎn)生中斷，以方便編程。圖2中各參數(shù)是在76．8 kHz的載波頻率情況下給出的，若載波頻率變化，則參數(shù)應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。

    從機(jī)側(cè)MI200E與單片機(jī)的連接與圖2類似，只需將MI200E的SPI口線、復(fù)位及片選與單片機(jī)普通I／O口相連，用模擬SPI方式進(jìn)行通信即可。
1．3 人機(jī)接口與信息存儲(chǔ)
    為了便于自診斷與參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)加入了矩陣鍵盤和LCD顯示器。S3C2410內(nèi)部含有一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)控制器，能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)控制所需的控制信號，因此能與TFT型的彩色LCD屏直接連接，不需要外加控制器。本系統(tǒng)采用了南京普易電器公司生產(chǎn)的8寸的PY080TFT01型液晶屏。鍵盤通過ZLG7290芯片以I2C總線接口形式與S3C2410相連。
    為了能夠?qū)⒖刂菩畔⒓罢彰鞴芾硇畔⑦M(jìn)行存儲(chǔ)與查詢，系統(tǒng)加入了SD卡存儲(chǔ)裝置。由于S3C2410芯片本身帶有SD卡接口，因此只需將SD卡座與S3C2410的SD卡接口直接相連即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。
1．4 紅外檢測電路
    從機(jī)要不斷檢測所轄區(qū)域的人員情況，因此設(shè)計(jì)了基于熱釋電紅外傳感器的檢測電路，如圖3所示。

    該電路中選用了BISS0001集成芯片對熱釋電紅外傳感器的微弱信號進(jìn)行放大處理。BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外傳感器。BISS0001的輸出引腳經(jīng)三極管反向后與單片機(jī)的中斷引腳相連，這樣在檢測區(qū)域內(nèi)有人員經(jīng)過就會(huì)產(chǎn)生中斷。
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2 主機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    在整個(gè)廣場照明控制系統(tǒng)中，S3C2410作為主機(jī)核心完成接收控制信息、接收從機(jī)信息、參數(shù)輸入與顯示、遠(yuǎn)傳控制指令等功能。整個(gè)主機(jī)系統(tǒng)軟件部分包括主程序、人機(jī)接口程序、電力線載波通信程序、SD卡讀寫程序、照明控制程序、自診斷等功能模塊。由于軟件較復(fù)雜，所以實(shí)際編程中嵌入了uC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。
2．1 μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)
    μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)是真正源碼公開的，采用占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，支持多達(dá)56個(gè)用戶任務(wù)，穩(wěn)定性和可靠性高，而且移植方便，占
用內(nèi)存小。μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)中各任務(wù)要分配不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級用數(shù)字表示，數(shù)字越小其優(yōu)先級越高。針對本系統(tǒng)中各任務(wù)的重要性，為各任務(wù)分配了表1所示的優(yōu)先級。

2．2 主程序
    主程序完成S32410 GPIO初始化、中斷初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、MI200E初始化、操作系統(tǒng)初始化、任務(wù)創(chuàng)建與操作系統(tǒng)的啟動(dòng)等。
2．3 電力線載波通信程序
    電力線載波通信程序主要完成基于MI200E的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，要嚴(yán)格遵守其發(fā)送及接收時(shí)序。
    MI200E在發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)包由8個(gè)字節(jié)組成，其中前4個(gè)字節(jié)中包含引導(dǎo)碼、后續(xù)發(fā)送采用的波特率以及數(shù)據(jù)長度；第5、6個(gè)字節(jié)為從機(jī)地址和控制信息；第7、8個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)信息。每次發(fā)送數(shù)據(jù)前都需要對MI200E狀態(tài)寄存器的最高位(TI)進(jìn)行查詢，只有在TI為‘1’時(shí)，才能將數(shù)據(jù)配置進(jìn)MI200E。
    MI200E處在接收狀態(tài)時(shí)，需要反復(fù)查詢狀態(tài)寄存器的RI／Carr／Frame標(biāo)志。當(dāng)Carr／Frame被硬件置‘1’后，先讀取接收模式寄存器，取出Package信息，將接收到的波特率信息寫入模式寄存器，然后按照取得的數(shù)據(jù)長度進(jìn)行接收。注意，每讀取一個(gè)字的數(shù)據(jù)前都需要查詢RI／Carr／Frame標(biāo)志，只有在RI／Carr／Frame都被硬件置‘1’的情況下，再讀取MI200E中的接收數(shù)據(jù)。在讀取完所有的數(shù)據(jù)，包括CRC校驗(yàn)結(jié)果后，查詢狀態(tài)寄存器中的CRC標(biāo)志，判斷是否已正確接收到了數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語
    本文所設(shè)計(jì)的廣場分區(qū)照明系統(tǒng)具有成本低、響應(yīng)快、可靠性高、通信距離遠(yuǎn)、無需鋪設(shè)通信線纜等優(yōu)點(diǎn)，對于信號的處理及照明控制方式可以通過修改程序來靈活改變，因此特別適用于空間較大的廣場、地下停車場、教室等場所。本系統(tǒng)在西安外事學(xué)院3#教學(xué)樓安裝試驗(yàn)后，工作穩(wěn)定，可及時(shí)將無人的教室燈光關(guān)閉，經(jīng)改動(dòng)還可關(guān)閉電風(fēng)扇等電氣設(shè)備，因此大幅度地節(jié)約了電能，有著良好的推廣前景。