基于 CAN总线的智能照明控制系统

随着经济建设的日益发展和社会物质文化水平的不断提高 , 人们开始追求灯光艺术带来 的美 的享受 , 注重照明和其他相关设备、系统的整体控制效果。照明控制系统的安装便捷性、可靠性和经济性已经成为关注的热点。智能大厦内需大量的灯光照明设备 , 传统的控制方法是将被控制的设备用连线引入控制室 , 这样不仅造成电力电缆铺设过多 , 增加了投资成本 , 而且还大大增加了灯回路的辐射干扰 , 对空间电磁环境造成了污染。智能照明控制系统为智能办公大厦的照明提供了新途径。

随着微机控制技术的发展 , 出现了微机型灯光控制系统。它采用网络控制技术 , 使得照明灯的电力线路可以不再经过控制室 , 而直接引入顶棚或马道。这种控制方法不仅可以方便地控制灯光的亮度 , 还减少了电力线路及相应设施投资 , 减少了灯回路的辐射干扰 , 而且可以使灯回路采用母线方式布线 , 线路规整 , 便于安装维修。但在目前使用的微机型灯光控制系统中 , 由于网络通信大多采用 RS- 232 、 RS- 485 、 20mA 电流环等通信方式 , 因而普遍存在通信距离短、数据传输速度慢、误码率高、可靠性差等问题。

在微机灯光控制系统中引入开放系统互联的通信网络——现场总线可解决上述问题。本文介绍的基于 CAN 总线的微机灯光控制系统就是采用现场总线控制技术 , 构成全分散式微机灯光控制系统 , 有效地解决了微机型灯光控制系统的不足。 CAN 总线所需的完善的通信协议可由 CAN 控制器芯片和接口芯片实现 , 大大降低了系统的开发难度、组成成本 , 缩短了开发周期。这些是目前 CAN 总线应用于众多领域、具有强劲的市场竞争力的原因 , 也是在灯光控制系统中选用 CAN 网络总线的理由所在。该系统投资少、功能强、可靠性高、便于扩展 , 特别适合大型的智能办公大厦对灯光设备的控制需要。

1 系统的总体设计思想

系统设计从保证系统可靠性和降低成本并具有通用性、实时性和可扩展性等方面着手。

(1) 网络拓扑采用总线式结构 , 如图 1 所示。这种结构比环型结构吞吐率低 , 但结构简单、成本低 , 且无源抽头连接 , 系统可靠性高。

图 1 网络拓扑总线式结构

(2)CAN 总线控制器工作于多主方式 , 采用多主站依据优先权访问总线 , 支持主从或广播方式 , 最大网络节点 110 个 , 最大传输速率 1Mbps, 最远距离 10km( 也可以接 CAN 中继器增加距离 , 但通信速率会下降 ) 。同时具有极强的错误处理能力。

(3)CAN 遵循 ISO 标准模式。具体定义了数据链路层和物理层 , 在工程上 , 这两层通常由 CAN 控制器和收发器实 现。 CAN 总线控制器通常有两类 : 一类是在片的 CAN 微控制器 , 采用这种器件可以方便用户制作印刷板 , 电路图也比较紧凑 ; 另一类是独立的 CAN 控 制器 , 可以使开发人员根据需要选用比较实用的单片机。本系统选择独立的 CAN 控制器。

(4) 该系统的上位机是 PC 机。由于 P 机有多条扩展槽 , 利用局域网通信卡 , 使得该系统很容易与其他部门连网 , 便于统一调度和管理。另外选用 PC 机还可以充分利用现有的软件工具和开发系统 , 方便快捷地设计功能丰富的计算机软件。该系统的控制台由 PC 机、 PC 总线适配卡和相应的软件组成。

(5) 传输介质采用双绞线。为了进一步提高系统的抗干扰能力 , 在控制器与传输介质之间采取光电隔离。

(6) 信息传输采用 CAN 通信协议。该系统的主要通信方式 是控制台向各个控制器发送控制 数据以及各控制器向控制台发回各种检测信息。

2 智能照明节点模块的硬件设计

智能节点结构框图如图 2 所示。

图 2 CAN 节点结构框图

从成本和难易程度考虑 , 系统采用 AT89C52 作微控制器。 AT89C52 是一种高性能、低功耗采用 COMS 工艺制造的 8 位微控制器 , 拥有 8KB 的可编程闪存 , 它为很多嵌入式控制系统提供了一种高效灵活的解决方案。其功能是根据上位机的给定值控制执行器。系统的执行器是可控硅控制电路 , 通过它提供均匀可调的输出电压以调节电灯的亮度。

上位机可以根据传感器所提供的外界光照度 , 判断此时的灯光亮度范围 , 再向控制器发送控制数据 , 使执行器按照设定的值调节灯光亮度。传感器 1 采用光敏传感器 , 其可将光信号变成电信号 , 电信号的大小随光的强弱成比例变化 , 所以使用它可以根据室外光线照度的变化对灯光进行调节 , 在保证一定标准照度的同时最大程度地节约能源。传感器 2 是热释电传感器 , 其只对运动的人或物体敏感 , 利用它可以知道房间里是否有人 , 进而可以及时地将无人区的灯关掉 , 以免造成不必要的浪费。

CAN 控制器选用 Philips 公司生产的 SJA1000 。它是 PCA82C200 的替代产品 , 可完成 CAN 通信协议所要求的全部特性 , 经过简单的总线连接可以完成 CAN 总线的物理层和数据链路层的所有功能。它能够提供总线仲裁及错误检测功能 , 并且在检测到错误时能自动重复发送数据 , 从而减少数据的丢失 , 确保了系统的可靠性。它通过直接内存映射方式访问 CAN 控制器 , 同时 , 新增加的 CAN 模式 ( PeliCAN) 还可以支持 CAN2.0B 协议。

CAN 收发器采用 Philips 公司生产的 PCA82C250 。它是 CAN 控制器与物理总线之间的接口 , 提供向总线的差动发送功能和对 CAN 控制器的差动接收功能。

采用光电耦合是为将网络与系统内部隔离 , 以提高抗干扰能力。这里采用高速光电耦合器 6N137 。

看门狗采用集看门狗、复位电路与 EPROM 于一体的 X25045 。由于看门狗和 EPROM 有着重要的作用 , 看门狗可以防止因程序的跑飞引起故障 , EPROM 可以存储掉电前所需保护的重要参数、 CAN 节点的配置参数 , 包括屏蔽字和验收码、报文定义等。

CAN 总线适配卡可以自己设计 , 但目前市场上的 CAN 总线通信适配卡产品较多 , 而且技术也很成熟 , 所以选用了北京华控公司的 HK — CANISO 智能 PC 总线通信适配卡。

3 智能照明系统的软件设计

智能照明节点模块的软件采用结构化设计 , 具有良好的模块性 , 可修改性和可移植性。程序用 Franklin C51 和 ASM51 语言混合编写。 Franklin C51 是一种与 C 语言十分类似的高级语言 , 具有较高的效率 , 可读性好 , 易于修改。采用 C51 可减轻软件编程的工作量。软件设计主要包括单片机的初始化程序、报文发送和接收程序以及 CAN 总线的初始化设计 , 这是 CAN 总线设计中的重要一环 , 也是一个设计难点。为了提高通信的实时性 , 采用中断接收方式。为了能支持更多的 CAN 协议功能 , 在初始化时使 SJA1000 工作在 Peli CAN 模式。智能照明节点主流程如图 3 所示。

图 3 智能照明节点主流程图

上位机监控软件采用 Delphi 实现 , 具有良好的界面和可操作性。

国外的智能照明控制系统广泛地应用于建筑领域 , 无论室内、室外 , 然而我国在灯光调控、节能方面的研究起步较晚 ( 目前 , 灯光调控在美国的使用率 70%, 欧洲 40% ～ 50%, 亚洲 10% ～ 15%, 在日、韩占 15% ～ 20%, 而中国还不到 1 ‰ ) 。当前较先进、流行的灯光控制系统采用的“ ShowNet ”数字网络也只是为将来应用 CAN 协议打下基础。本文在智能照明控制系统中应用 CAN 总线技术 , 通过上位计算机进行灯光调控 , 有一定先进性。该系统经扩展后有着非常广阔的应用前景 , 不仅是办公大楼、商业中心等公共场所理想的智能照明控制系统 , 且在节能方面也有着重大的经济价值。

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