引言

作为世界上最大的发展中国家,我国是一个能源生产和消费大国。随着我国经济的飞速发展,能源短缺问题日益严重,能源危机已成为制约经济发展的瓶颈。作为电能消耗的重要部分,照明用电约占社会总用电量的12%,占建筑用电的15% ~25%,灯光照明的节能问题已引起社会的关注。市场上现有的智能照明产品主要采用开环控制系统,不能做到随外界环境变化而变化,灵活性较差;而运用闭环控制系统的智能照明设备,价格比较昂贵,无法在应用中普及。

本文根据CAN(controller area network)总线和LIN(local interconnectnetwork)总线的特点,与实际环境相结合,探讨了基于CAN/LIN总线相结合的智能照明系统,实现了对整个照明系统的控制和节能的目的。

1　总线技术

控制器局域网CAN总线是ISO国际标准化的串行通信协议,是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局域网,它能够以较低的成本和较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下工作[1]。由于CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性,其应用范围已不局限于汽车行业,而是扩展到机械工业、机器人、家用电器及传感器等领域。

LIN总线是一种用于工业控制中分布式电子系统的新型低成本串行系统,目标是为现有工业网络(如CAN总线)提供辅助功能[2]。LIN总线采用单主机、多从结构的通信方式,不需要总线仲裁。LIN总线属于CAN总线的下层网络,是对CAN总线的一种补充。在不需要CAN总线的宽带和多功能的场合,如智能传感器和制动装置之间的通信,使用LIN总线可以节约成本开支。在LIN总线实际运用中,通常用数字信号量替换模拟信号量,且极少的信号线即可实现国际标准ISO9141规定,总线长度可达40 m,优化了总线性能。

2　系统结构

系统以学校教学楼的照明控制系统为对象,遵循保障可靠性和降低成本的设计原则。教学楼主干网采用CAN总线,用于连接各个楼层间的网络;各楼层的教室子网采用LIN总线,用于连接各个传感器设备。楼层主干网络CAN总线与各个教室子网络LIN总线间通过CAN/LIN网关连接。若教学楼楼层规模较大,可设置多个CAN/LIN网关进行控制,解决LIN总线传输距离的限制问题[3]。CAN/LIN总线控制系统总体结构如图1所示。

3　CAN/LIN网关设计

在工业数据通信中,网关最常见的应用就是把一个现场总线网络的信号送到另一个不同类型的现场总线网络,以实现不同总线网络之间的通信[4]。教室内LIN总线与楼层控制主干线CAN总线通过CAN/LIN网关连接。

CAN /LIN网关的主控制芯片采用的是MC68HC-908GZ32单片机,它是飞思卡尔TM半导体(FreescaleTMSemiconductor)推出的高性能8位Flash结构单片机,拥有32 kB的片内Flash存储器和1 536 B的随机存储器RAM,能够满足不同用户的要求。MC68HC908GZ32提供了多种外围接口,如SCI(system clock input)、SPI(serialperipheralinterface)、CAN、LIN接口以及满足工业现场在线编程的Flash,简化了芯片与外部设备、芯片与外围扩展芯片的通信和连接[5]。由于内部带有CAN控制器MSCANO8和ESCI模块,MC68HC908GZ32单片机芯片既可与CAN网络通信,又可与LIN网络通信,解决了两条总线的通信问题。

由图2可以看出, CAN收发器CTM1054的RXD引脚和TXD引脚分别与芯片的CAN控制器CANRX引脚和CANTX引脚相连接,经过收发器CAN_L和CAN_H引脚出来的CAN信号具有差分功能[5]。

CTM1054是一款带隔离的容错CAN收发器模块,内部集成了所有必须的CAN隔离及CAN收发器件。该模块的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平信号转换为CAN总线的差分电平信号,并具有2 500VDC的隔离功能。CTM1054符合ISO11898-3标准,因此,可以和其他遵从ISO11898-3标准的CAN收发器相互操作。

LIN收发器TJA1020的TXD、RXD引脚分别与ESCI(enhanced serial communications interface)模块的TXD、RXD引脚连接。TJA1020是LIN主/从协议控制器和LIN物理总线之间的接口,使用的波特率高达20 kbit/s,有着极低的电磁发射EME(electromagnetic emission)和高抗电磁干扰性EMI(electromagnetic interference)。协议控制器向TXD引脚输入的传输数据流通过LIN收发器转换成总线信号,并由收发器控制回转率和波形,以减少电磁发射EME。收发器在LIN总线的输入管脚监测数据流并通过RXD管脚发送到微控制器。CAN/LIN网关电路设计简图如图2所示。

4　软件设计

在该智能照明控制系统中,软件设计主要实现以下两大功能:

①实现CAN/LIN总线的通信,即作为网关的CAN主节点,从楼层LIN子网络获取相关信息并转发到CAN网络,同时将CAN网络的信息转换为LIN信息帧,通过LIN总线传送到各个节点[6];

②LIN子节点对照明系统中的照度传感器、热释红外传感器等进行控制,实现灯光的自动启停、延时和定时等功能。

系统在执行程序之前必须对相关的变量、函数以及端口状态进行初始化,以确保循环正常运行。在循环执行时,须检测输入量的状态变化,根据收到的CAN网络信息,判断是否需要发送LIN报文,并以中断方式进行LIN子程序的发送,根据控制信息实现节点的控制。CAN/LIN总线通信软件流程以及LIN网络从节点程序流程分别如图3和图4所示[7-8]。

在通信过程中, LIN网络主节点起着控制和调度报文的作用,防止数据通信过程发生冲突。当检测到LIN报文时,网络主节点向从节点发送报文,实现对从节点设备的控制;当网络从节点上的信号发生变化时,信号应立即通过总线向PC机发出报文,并对采集的信号进行简单的判断,确定输出单元的工作状态,实现对照明设备的控制。考虑系统功耗,当从节点信号在一段时间内不变的情况下,总线节点将进入休眠模式。该休眠模式可以由总线信号变化而中止。

5　结束语

在智能照明系统CAN总线的基础上,运用LIN总线架构智能照明系统子网络,并引入MC68HC908GZ32作为CAN/LIN网关,不但连接了两种不同的总线,且充分发挥了各自的优点,保证了总线的通信质量,并大大降低了智能照明系统的成本开支。CAN/LIN总线网络具有较好的可靠性、灵活性和较高的抗干扰能力,具有良好的发展前景,可以运用于教学楼、商业中心等场合。