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

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。