参考基于can的智能照明控制系统

专科生毕业设计（论文）摘 要智能照明控制系统是自动化技术在照明控制领域的应用和推广，它不仅是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，而且迎合绿色照明的发展方向，是节约能源、缓解未来能源危机的有效措施，其发展前景非常广阔。现场总线是连接现场设备和自动化系统的通信网络，具有全数字信号传输、控制功能分散、开放等特点。CAN总线是现场总线之一，它具有可靠性高、价格低廉等优势，得到了广泛的应用。本文讨论了CAN总线在照明控制中的应用，分析了基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构，设计了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统。其主要研究内容如下:根据照明设备的多样性、分散性、广阔性等特点，结合现场总线在控制系统的底层，即现场设备层的优势，分析了基于CAN总线的分布式智能照明控制系统的网络结构，以及网络中的CAN节点类型、特点和功能要求等，并提出了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统方案。采用PICI8Fxx8系列单片机设计了智能继电器、智能调光器、智能按键等CAN节点，实现了基于CAN总线的分布式智能照明控制系统的硬件试验平台。该平台利用PICI8Fxx8系列单片机的I/0端口作为按键的输入信号采集和继电器线圈的驱动信号，通过其单片机A/D模块采集电流电压信号、ECCP模块实现SPWM调光技术、CAN模块实现各节点的通信。完成了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统的软件设计。软件以C语言程序设计方式为主，结合汇编语言程序设计的某些优势，适当地嵌入汇编指令，实现了智能继电器、调光器、按键的通信与控制功能。关键词：智能照明；照明控制；CAN总线；分布式控制AbstractThe intelligent illumination conrtolsy stem is the application and popularity of automation technology. It is not only the effective realiz -able methods of aesthetical and comfortable light but also accordance with the Green Illumination and its direction of development that is an app -roval of saving energy and alleviating energy crisis, so that it has a promising brilliant prospect.Field-bus, a communication network for conn -ecting equipments in field and automation system, has lots of prominent features such as totally digital transmission, distributed control func -tion, opening system. CAN-bus, which is one of Field-buses, has advantages in high reliability and low cost so as to it has been used largely in many fields. The dissertation discussed the application of CAN-bus in illumi -nation control, analyzed the system construction of the distributedin telligent conrtol basedon CAN-bus,designeda nexperiment system of inte -lligent illumination conrtol system basedon CAN-bus.The main content ofdissertation is listed as followings:According to the variouse quipment of illumination extensively distributed separately, concerned the advant ages of CAN-bus inlayer of field equipments,the dissertation analyzed the network construction of distributed intelligent illumination control system based on CAN-bus and the different type of CAN conjunctions and their characters, functions, and requirements. Furthermore, an experiment system has been presented to realize the distributed intelligent illumination control system based on CAN-bus PICI8 Fxx8 seriess ingle-chipsw erec hoosed to design different CAN conjuncitons ucha sin telligentde lay,in tellige -ntad just ment of lighting,of PICI8Fxx8 were in charge of gathering input signal of keys, and driving the LED and the winding of delays. The A/D modes gathered current and voltage signal, the ECCP modes realized how to adjust lighting by SPWM technology, of the experiment system, programming mostly with C language. Key words：In telligent Illumination；Illumination Control； CAN-Bus；Distributed Control目 录第1章 绪 论11.1 引言11.2 课题的研究意义11.3 国内外发展现状31.4 全文主要内容4第2章基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构52.1照明系统控制方式52.1.1传统照明控制方式52.1.2自动照明控制方式62.1.3智能照明控制系统72.2基于CAN总线的分布式智能照明控制系统92.2.1 CAN总线系统的组成92.2.2 CAN总线系统的节点112.2.3分布式智能照明控制系统的CAN节点类型112.3 CAN总线系统的通信方式122.3.1多主式结构122.3.2主从式结构132.4基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统132.5本章小结14第3章系统硬件设计153.1智能继电器的硬件设计153.1.1智能继电器原理框图153.1.2检测电路设计173.1.3接口电路设计183.1.4 LED显示电路设计203.2 智能调光器的硬件设计203.2.1调光控制常用的两种方式203.2.2正弦波电压变换调光器223.2.3采用SPWM技术的电压变换器233.2.4 MOS管驱动电路设计243.3智能按键的硬件设计253.4本章小结25第4章系统软件设计264.1 PIC18F458单片机程序设计的一般原则264.2智能继电器、调光器、按键的主程序设计274.2.1主程序设计274.3子程序设计284.3.1 I/O端口程序设计294.3.2 A/D转换模块程序设计294.3.3 SPWM波的生成方法314.3.4 PWM (ECCP)模块程序设计324.4软件抗干扰措施334.5本章小结34第5章基于CAN总线技术的通信网络355.1现场总线技术概况355.2基干CAN总线的智能照明控制系统通信程序设计375.2.1 PIC18F458系列单片机CAN模块的工作方式385.2.2 CAN中断385.2.3 CAN节点标识395.2.4信息功能标识分配395.2.5任务表示符分配405.2.6数据场定义405.2.7数据的打包405.2.8CAN信息发送435.3本章小结43第6章全文总结与展望446.1全文总结446.2展望45参考文献46致 谢48附 录4961第1章 绪 论1.1 引言在当今世界经济全球化和区域经济一体化的形式下，随着信息行业和计算机产业的高速发展、人们物质与精神生活水平的迅速提高，人们对工作和生活环境的灵活性、高效性和舒适性要求越来越高，传统的工作、居住环境受到了强有力地挑战，智能建筑，智能小区，智能家居等应运而生，楼宇自动化(BA)、通信自动化(CA)、办公自动化(OA)、家庭自动化(HA)等各种自动化系统不断出现，人们对照明的要求也越来越高，传统的照明技术受到了时代的强烈冲击，现代照明技术发生了深刻的变化， “智能照明”技术随之出现，并迅速地向前发展，以致形成照明发展的一个重要趋势。一般的智能楼宇的BA系统可以监控:消防自控系统(FA5)、空调/通风、变配电/备用应急电源、电梯、给排水、锅炉、停车场、门禁、人事考勤、电力和照明系统。可是，BA系统对照明的控制只能实现区域控制、定时时、开关、中央监控等功能;而要实现场景预设、亮度调节、软启动或软关断等难度较大，且控制方法具有一定的局限性;因此，传统的BA系统己经无法满足对照明设备控制的高标准、高要求，时代迫切地要求照明工作者、自动控制研究人员等一起协作来研究开发一种针对性极强的智能照明控制系统。1.2 课题的研究意义1) 创造有效率的照明环境、实现节约能源的功能智能照明控制系统借助各种不同的预设置控制方式，对不同时间不同环境进行精确设置和合理管理，充分利用自然光，自动调节照度，只有在必要时才把灯点亮或者点到要求的照度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节能效果十分明显。为了珍借利用地球有限的能源资源，保护环境，造福后人，照明节能工作不能停顿。欧盟委员会拟订了在欧盟各国实施绿色照明计划，同时国际上一些金融机构，如全球环境基金会(GEF)通过世行和联合国开发计划署在世界各国资助了多个开发高效照明项目。我国绿色照明工程办公室正在启动第二期“绿色照明”项目，进一步从照明产品、照明设计、照明管理、天然光利用等方面挖掘照明节能潜力，一直提倡照明自动化技术的应用与推广，以减轻未来的能源危机。2) 延长光源寿命过高的电网电压会使灯具的寿命大大降低，因此，有效地抑制电网电压的波动可以延长光源的寿命。智能照明控制系统可以成功地抑制电网的冲击电压和浪涌电压，使灯具不会因上述原因损坏。同时系统采用软启动和软关断技术，避免了开启灯具时电流对灯丝的热冲击，使得灯具寿命进一步延长。从而减少更换灯具的工作量，降低照明系统的运行费用。通过上述方法，光源的寿命通常可延长2-4倍。3) 改善电网质量传统的荧光灯及各种高强度气体放电灯的镇流器功率因数低、谐波含量高，对电网质量影响极大。智能照明控制系统对荧光灯实现调光控制，可调光荧光灯电子镇流器可以提高功率因数，减少谐彼含量。4) 提高照明质量一般照明设计师对新建的建筑物进行照明设计时，均会考虑到随着时间的推移，灯具效率和房间墙面反射率会不断衰减，因此，其初始照度均设置得较高，这种设计不仅造成建筑物使用期(或两次装饰的间隔期)的照度不一致，而且由于照度偏高造成不必要的能源浪费。采用智能照明控制后，虽然照度还是偏高设计，但由于可以智能调光，系统将会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度，而不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响，这也是智能照明控制系统可以节约能源的原因之一。另外，这种控制方式内所采用的电气元件也解决了频闪效应，不会使人产生不舒适、头昏脑胀、眼睛疲劳的感觉。5) 管理维护方便智能照明控制系统对照明的控制是以模块式的自动控制为主，手动控制为辅，照明预置场景的参数以数字式存储在EPROM中，这些信息的设置和更换十分方便，使照明管理和设备维护变得更加简单。6) 有较高的经济回报率智能照明控制和管理系统通过合理管理(在需要的时候、需要的区域把灯点亮到合适的照度)节约能源和降低运行费用(节电可达20-70%,灯具寿命延长2-4倍)，某些重要区域通过调光方式和场景设置功能产生各种灯光效果，营造不同的灯光环境，给人以舒适完美的视觉享受。用户能在降低运行费用中得到经济回报，在2-4年内回收一次性设备投资。以上海地区为参照点，仅从节电和省灯这两项做过一个估算，得出这样一个结论:用三至四年的时间，业主就可基本收回智能照明控制系统所增加的全部费用。而智能照明控制系统可改善环境，提高员工工作效率以及减少维修和管理费用等，也为业主节省一笔可观的费用。7) 以人为本的科学化照明从智能功能的发展转向更注重人的行为的智能照明。以人的行为、视觉功效、视觉生理心理研究为基础，开发更具有科学含量的，以人为本的高效、舒适、健康的智能化照明。进一步地满足不同个体、不同层次群体的照明需求，是使照明从满足一般人的需求到满足个体、个性需求的必不可少的技术手段。这也应该是智能照明的发展方向。8) 创造一种崭新的高技术和高科学思想含量的照明文化艺术智能技术与新光源及新照明技术的结合，如智能控制技术和LED照明、光纤照明、场致发光技术、电子镇流器等新照明光源和照明技术及艺术的结合，将构筑崭新的照明技术平台，其应用领域从智能家居照明到智能化的城市照明，有无限广阔的前景。1.3 国内外发展现状照明是艺术，又是科学，它的发展依赖于科学的进步和生产技术水平的提高。自从爱迪生的第一只钨丝灯泡问世以来，世界拥有了山电能转换而来的一片光明。在实际使用中，由于使用场所及使用要求不同，就要求有不同的照明效果，要求进行照明控制。所谓照明控制就是利用一定的元器件组成控制装置，控制照明系统，以满足人们的使用要求，营造不同的气氛，产生满意的效果。同时，让使用者最有效地使用照明器，尽量减少不必要的电能浪费，使照明系统节能又具有良好的照明效果。合理和正确地选用照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施。其产品的智能化特点主要表现在以下几方面:1) 突破了传统的一灯一开关的思维，实现了根据场景对组合灯光进行调节和控制的功能；2) 实现了个性化设定:可以设定“看电视”、“会客”、“晚餐”、“离家”等灯光场景，只需轻轻一按，即可实现预设灯光效果；3) 开关方式可选择电脑、遥控器、轻触式按键开关、红外线自动感应开关等方式对照明情景进行一对一、一对多、多对一的灵活控制；4) 具有系统灯具的无级亮度调节和自动延时功能，极大地丰富了照明情景的配置效果；5) 停电状态的记忆功能和开关状态的锁定功能，使系统使用更加安全可靠；6) 防盗功能:可以设置灯或其他家用电器定时地间断地开启，营造家中有人的效果，达到自动防盗的功能。2004年中国照明器具制造行业研究报告表明，在不久的将来，智能照明将取代普通照明，成为照明行业的新锐主流产品。报告预计，到2008年，智能照明的市场容量将突破100亿元大关。在奥运科技前景论坛上，智能照明被提上议程，国家建设部要求2010年在全国大中城市中，60%的住宅实现智能化。在去年举行的广东古镇灯博会上和深圳国际照明展上，一种新亮相的百分百照明所生产的“傻瓜”型新一代智能家居照明系统“光控猫”吸引了记者的注意。上海市有关部门决定，今年夏季用电高峰时，市中心主要景观道路上的路灯要安装节能的智能照明系统。种种迹象表明，智能照明市场前景将更加乐观。总的说来 ，目前智能照明还处于发育阶段，国内外很多知名企业都看好这个新锐行业，已经投入大量人力和财力来着手研发新颖的智能照明控制系统，并在住宅照明、道路照明、景观照明、体育场馆、工业厂房、公园照明等等照明场合得到不同程度的应用。1.4 全文主要内容本文从照明控制系统的控制对象分析出发，分析了照明控制的发展历史进程与现状，比较了传统照明控制方式和目前国内外比较流行的智能照明控制方式的优缺点，提出了基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构，并设计实现了该系统的试验平台，达到了比较满意的效果。本文的主要内容有:1) 基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构设计以CAN总线为通讯网络，把所有的照明设备连接在智能CAN节点上，照明控制器和控制面板之间通过CAN总线相连接，组建现场总线子网。将照明线路中的开关或控制箱作为CAN总线中的一个网络节点，然后通过现场总线这个枢纽组成网络，所有的控制信号、开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过现场总线网络进行通信，这样，网络中的每个节点都可以接受网络中其他节点的信息，非常方便的实现节点间互相监测与控制。2) 基子CAN总线的分布式智能照明控制试验平台硬件系统设计采用美国微芯(Microchip Technology)公司的PIC18Fxx8系列单片机为核心控制芯片，设计了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验平台的各CAN节点，包括智能继电器、智能调光器、智能按键等硬件系统。介绍了SPWM调光技术，克服了传统前沿相控调光与后沿相控调光技术的弊端。3) 基于CAN总线的分布式智能照明控制试验平台软件设计以采用C语言程序设计方式为主，结合汇编语言程序设计的某些优势，适当地嵌入汇编指令。完成了智能继电器、调光器、按键等CAN节点的I/O模块、A/D模块、ECCP模块、CAN模块程序设计，实现了各模块的通信与控制功能等。 第2章基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构2.1照明系统控制方式2.1.1传统照明控制方式照明控制可分为开关控制和调光控制，调光控制又包括连续的调光控制(被控光源的光通量可连续的变化)和不连续的调光控制(被控光源的光通量只能在若干固定的预设值之间变化)。按发光原理划分，照明光源通常可分为热辐射光源和气体放电光源，其典型的光源分别为白炽灯和荧光灯。热辐射光源，即利用电能使物体加热到白炽程度而发光的光源;气体放电光源，即利用气体或蒸气的放电而发光的光源。对于热辐射光源来说，既可以实现开关控制，也可以实现调光控制，只需要调节供给光源的供电电压即可调节光通量的输出。而对气体放电光源来说，实现调光控制并非那么简单，不能简单的控制供给光源的供电电压，这类光源都有镇流器，220V的工频电压经过整流器后再给光源供电，要实现调光控制，必须研制适应具体气体放电光源的匹配镇流器。通过控制镇流器的输出电压的频率和电压来调节光源的光通量输出。自爱迪生发明第一个灯泡开始，传统照明控制方式就已经产尘，这种控制方式多以手动控制为主。常见的有以下几种:其一，利用设置在灯具配电回路中的开关(配电回路中的保护开关或手动开关等)来控制配电回路的通断，从而实现灯具开关控制;其二，利用设置在灯具配电回路中的手动旋钮(传统调光控制柜和灯光控制台等)调节供电回路的电气参数(主要是电压、电流、频率等)，从而实现灯光的明暗调节，即调光控制。其原理如图2-1所示。图2-1 传统照明控制方式原理图传统方式对照明控制而言，简单，有效，直观。但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。2.1.2自动照明控制方式这种控制方式利用数字控制技术来遥控灯具的开关。通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器(DDC)来控制配电回路中的交流接触器的分合，从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。采用该种方式，解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，实现了照明控制的自动化但却无法实现调光控制功能。其控制原理如图2-2所示。图2-2 自动照明控制系统自动照明控制方式与传统照明控制方式相比，主要解决的问题是集中控制的问题，自动化程度相对提高，但由于DDC系统本身固有的技术特点，使得DDC在照明控制系统中表现出明显不足，不仅无法实现调光控制，而且也很难实现灯光场景等预设置和场景管理等功能。DDC系统的主要优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度安排。不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务量增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。尽管集散控制系统(DCS)逐步取代DDC系统，而且实现了分散控制与集中管理功能，但对于底层的设备来说，仍然是传统的DDC技术，唯有把现场总线技术应用到现场设备级管理后，这个问题才能得到根本性解决。2.1.3智能照明控制系统二十一世纪是一个网络化时代，数字控制技术不断提高，网络化管理正逐渐渗透至各种传统控制系统中。进入二十世纪后，随着人民生活水平不断提高，人们对十照明的要求也发生了很大的改变。尤其在一些中高档的建筑中，照明不再单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和关感。二十世纪90年代初，智能建筑己不再简单地等同于楼宇设备自动管理。在一些建筑物中的重要场所，简单地开关控制己无法满足要求。人们开始追求多样化的照明控制方式，使环境能体现出多种艺术效果。智能照明控制方式使照明自动控制不再依赖于楼字设备自动管理系统，真正实现了照明控制的独立。同时该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调光控制。它是一个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。它的出现和发展，使照明控制和维护管理变得更为简单，并为建筑照明提供了多种艺术效果。智能照明控制系统被越来越广泛地接受和使用，这类产品和生产商更是层出不穷。正确的照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施。绿色照明是指所用照明产品高效率、长寿命、节电、节能、低噪音、低谐波、低电磁干扰。在照明设计中，合理和正确地选用照明控制方式，不仅是经济性和实用性的良好统一，也是一个实现“绿色照明”的重要环节。目前 ，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器(CPU)上，由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包，其结构如图2-3所示。该系统的优点:照明的控制功能高，故障的诊断和排除简单，存取协议简单，传输速率较高。其缺点是:因过分依赖中央控制器，故系统的可靠性和经济性相对较低。虽然采用多种改进措施后，可提高中央控制器和系统的可靠性。图2-3 集中式智能照明控制系统分布式智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个控制子网，各照明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器CPU单元，每个控制器和面板都可以直接连接在子网上。系统将原控制中心的控制功能分散至靠近末端的控制设备，通过一种访问控制策略，决定设备与监控中心信息传输的顺序，其结构如图2-4所示。图2-4 分布式智能照明控制系统为了组建分布式智能照明控制系统，一般是把照明控制器和面板之间通过现场总线相连接，组建现场总线子网。把照明线路中的开关或控制箱作为现场总线中的一个网络节点，然后通过现场总线这个枢纽组成网络，所有的控制信号、开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过现场总线网络进行通信，这样，网络中的每个节点都可以接受网络中其他节点的信息，非常方便的实现节点间互相监测与控制。这样就可以脱离于中央监控主机而独立运行，同时也解决了现场设备层的每个控制量一根线的点对点连接方式带来的种种弊端，现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对一的连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成远程设备的参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。现场总线网络系统具有优良的系统扩展性，可以非常方便增加网络节点，如增加声音检测、照度检测、图像采集、红外线信号采集等网络节点，通过这些传感器节点采集人们活动环境的变化参数，上传至中央监控主机分析、处理、计算，做出各种控制决策，实现智能化管理，能够更好的满足智能建筑的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，可以实现设备状态、故障、参数信息传送。采用现场总线网络取代传统的控制电缆，大大地减少了电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布式控制系统，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与测控系统。因而研究基于现场总线技术的智能测控节点成了研究测控新技术和新发展的重点。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革、自控化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战，因而对智能测控节点的研究既是对先进技术应用的研究，也是开发市场的需要。2.2基于CAN总线的分布式智能照明控制系统2.2.1 CAN总线系统的组成CAN总线是现场总线的一种，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网路，隶属于控制网络的范畴。从原理和实现的角度，只要有两个CAN节点和他们连接成一体的通信媒体(如双绞线)就可以构成一个CAN总线系统，这两个节点之间通过通信媒体交换信息。而由CAN总线构成的控制网络的结构一般是由控制器节点、传感器节点、执行器节点以及其他的监控节点如人机界面组成，CAN作为控制器局域网还可以通过网关和其他网络如以太网互连构成大型复杂的控制网络构，如图2-5所示。从控制系统的角度来看，最小的控制系统是一个单回路的简单闭环控制系统一由一个控制器、一个传感器和一个执行器组成。以CAN总线为基础的网络控制系统也可以由多个互不相关的控制回路组成，而他们共享一个控制网络CAN总线。从现场总线控制系统(FCS)的概念来说，传感器节点、执行器节点都可以集成控制器，即所谓智能节点，这样就形成了真正分布式(主要指控制算法分散)的网络控制系统。像图2-5那样，CAN这个局域网控制系统也可以作为真个大型控制系统的一个子系统，这时，CAN通过网关和整个系统建立联系。图2-5 CAN总线控制系统的结构一个简单的CAN总线系统主要由上位计算机和微控制器组成，包括通用个人计算机和CAN的接口(CAN适配卡和若干个CAN网络节点).CAN是“多主发送”的网络结构，从CAN的角度，无所谓主节点和从节点的概念，但是在具体的应用中，为了系统的可靠性以及整体设计的考虑，还是分主节点和从节点的，如图2-6所示的系统，和多数的用用系统一样，上位机节点一般成为系统的主节点。这个系统的原理是:主机(主节点)负责监控各个从机(从节点)，向从机发布指令，并接受、处理从机传来的检测数据;从机执行主机的指令，显示运行信息，向主机传送检测数据;CAN接口电路负责各节点的串行通信，两只125欧姆的电阻作为CAN线路的匹配电阻。图2-6 一种简单的CAN总线系统2.2.2 CAN总线系统的节点CAN节点的构成多种多样，一般的CAN节点的结构如图2-7所示，它是计算机系统、通用PC系统或嵌入式处理器系统。其关键部分是CAN网络控制器和总线收发器。由它们来实现CAN总线的物理层和数据链路层协议，他们和计算机系统就可以实现CAN网络的通信。如果计算机系统中嵌入了控制器算法，则这个节点按照功能就是控制器节点;同样，如果计算机系统(一般是嵌入式微处理器系统)带有传感器接口，则这个节点就是智能传感器节点;如果节点是用来驱动执行器的，则这个节点就是执行器接口。当然，节点还可以提供其他形式的信号输入输出接口。一个节点可以具有多种功能，如果有输入输出接口并带有控制器算法，那么它就是一个完整的控制节点。图2-7 常用的CAN总线的结构2.2.3分布式智能照明控制系统的CAN节点类型要实现对光源或灯具的控制，首先应针对光源或灯具的类型。按照发光原理来分，光源分为热辐射性光源、气体放电光源、半导体发光光源、场致发光光源等。热辐射性光源有白炽灯和卤化物灯，白炽灯同卤化物灯相比，功率小寿命短。虽然热辐射性光源的寿命短，发光效率不高，但由于其显色性有着无比的优势，价格低廉，而且很容易实现无级调光的功能，目前在市场中仍然占有很大的份额。其功率一般从十几瓦到几百瓦，甚至上千瓦。对于气体放电灯而言，一般需要镇流器、触发器、起辉器等附件才能启动光源和正常运行。要实现基于CAN 总线的分布式智能照明控制，必须设计合理的智能CAN节点，如实现开关灯控制的智能继电器(控制小功率灯具)、智能接触器(控制大功率灯具)，实现调光功能的智能调光器，人机交互器件如智能按键、场景设置面板、显示节点等，还有各种信息采集的传感器节点如照度检测节点、声音采集节点、图像采集节点等，以及系统所需的时钟管理控制的万年历时钟节点等，其结构如图2-8所示。图2-8 基于CAN的智能照明控制系统网络节点2.3 CAN总线系统的通信方式CAN总线系统根据节点的不同，可以采取不同的通信方式以适应不同的工作环境和效率。它可以分为多主式(Multi-waster)结构和主从式(Infra-structure)结构两种。2.3.1多主式结构网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上地其他节点发送信息，而不分主从，不需占地址节点信息，通信方式灵活。在这种工作方式下，CAN网络支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。为避免总线冲突，CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术，根据需要将各个节点设定为不同的优先级，并以标识符(ID)标定，其值越小，优先级越高，在发生冲突的情况下，优先级低的节点会主动停止发送，从而解决了总线冲突的问题。这是CAN总线的基本协议所支持的工作方式，无需上层协议的支持。2.3.2主从式结构CAN总线在主从式通信方式下工作时，其网络各节点的功能是区分的，节点间无法象多主式结构那样进行平等的点对点信息发送。在主从式结构系统的通信方式下，整个系统的通信活动要依靠主站中的调度器来安排。如果系统调度策略设计不当，系统的实时性、可靠性就会很差，而且容易引起瓶颈问题，妨碍正常有效的通信。所以采取主从式结构的网络都需要采取必要的措施去解决瓶颈问题。目前的CAN网络一般采用多主式和主从式结合的结构，这种结构比较灵活又具有较高的实时性和可靠性。2.4基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统为了进一步深层次地研究基于CAN总线的分布式智能照明控制系统，本课题设计了一个CAN总线试验系统，该试验系统主要由智能继电器、智能调光器、智能按键、智能主机等CAN节点组成，每个节点都采用带CAN模块的单片机作为核心控制芯片，实现CAN通信的同时也实现其它控制与信息采集功能.为了试验的调试方便，采用总线拓扑的网络结构，其网络结构如图2-9所示。图2-9 基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统结构从图2-9中看出，各个CAN节点在整个控制系统中具有不同的功能，智能主机为整个智能照明系统的控制中心，它负责综合控制与管理整个控制系统，通过CAN总线网络采集其他网络节点的运行状态信息数据，分析处理后，下达必要的控制指令或显示信息给智能继电器、智能调光器、智能按键等其他网络节点。同时，它可以经过USB或RS232把网络中的所有数据送给PC机的数据库存储，给上位机提供实时在线的现场数据，实现集中管理的目的。智能继电器直接控制照明设备的开启与关闭，它是弱电控制强电的执行装置。它主要是通过CAN总线网络接收智能主机或智能按键发来的命令，经过解码、分析、计算后来开启或关闭各路继电器的输出状态，从而达到开启与关闭灯具的目的，同时也把自身的运行信息、检测到的电流电压信息通过CAN总线发送给智能主机，以便能够在智能主机的综合协调下有条不紊地运行。它还必须具有本地手动开启每路继电器输出的功能，以便在CAN总线网络出现故障时能够手动开启照明设备:还需要在本地设置显示每路输出状态的指示灯，这样可以很方便地显示每路状态。当CAN网络出现故障时，智能继电器能够按照预先存储在内部RAM的程序独立于智能主机运行，并具有场景预设置的功能，这个功能就避免了中央控制主机发生故障导致整个网络控制失效而处于瘫痪状态。智能调光器也是直接控制照明设备的执行装置之一，也是通过CAN总线接收智能主机或智能面板发来的命令来控制灯的开启，并调节灯开启后的光通量输出大小，也可以接收本地手动命令来调节每路输出大小来调节光源的光通量输出。同时，智能调光器也需要把自身的运行状态(如每路输出大小情况)发送到智能主机，并在智能主机的综合控制下有条不紊的运行。智能调光器也需要具有独立于智能主机单独运行的功能，缩小网络故障的范围和影响。智能按键及遥控器为人机交互装置，它的功能是采集人们对照明设备的开启需求，即使用者的操作命令(可以是开启某路照明设备，也可以是一种照明场景的选择、设置等)，并通过CAN总线把人们的操作信息发送到智能主机、智能继电器、智能调光器，而智能主机或其他网络节点则反馈开关灯信号给智能按键，并显示其开关状态。遥控器通过红外线或无线与智能按键通讯，把使用者的操作信息传送给智能按键，然后通过CAN总线网络发送到智能主机或其他网络节点。2.5本章小结本章首先分析了照明控制技术的发展，介绍了基于CAN总线的分布式智能照明系统网络结构、网络节点、通信方式等， 提出了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统的结构框图，并具体地分析了每个网络节点的功能。在第3章和第4章里面将重点讨论如何设计这些CAN网络节点。第3章系统硬件设计3.1智能继电器的硬件设计3.1.1智能继电器原理框图智能继电器用来直接控制照明设备供电线路的开启与关闭，它是一种执行装置。通过CAN总线网络接收智能主机或智能按键发来的命令，经过微控制器CPU的控制程序分析、解码、计算后来驱动各路继电器线圈，从而达到控制继电器吸合与断开的目的。它具有本地手动开启、输出状态显示、电流电压检测、场景模式存储等功能。采用PIC18F458单片机作为智能继电器的核心控制单元CPU，外加内存扩展芯片RAM。该款单片机具有5个I/0端口、8个通道的A/D转换模块、标准CAN模块等资源(具体硬件资源见后)。本地手动命令的输入和继电器线圈驱动单片机的工/0端口来完成，A/D模块可以采集电流电压信息，并利用其CAN模块来接收总线上的指令，其原理如图3-1所示。图3-1 智能继电器的原理框图美国微芯 (Microchip Technology)公司推的8位PIC系列单片机，采用精简指令集(RISC Reduced Instruction Set Computer)、哈佛总线(Harvard)结构、二级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易学等特点。高档产品PIC18FXX8低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易学等特点。高档产品PICIBFXX8系列采用的是16位字长的R工5C指令系统，是目前世界上8位单片机中运行最快的，具有一个指令周期内(最短100ns)完成8位乘8位二进制乘法的能力，可以在需要高速数字运算场合下取代DSP 数字信号处理器)芯片。此外还具有丰富的I/0口控制功能，可外扩EPROM :-IRAM.PIC18F458单片机具有高性能的RISC CPU;高达lomIPS的执行速度;DC-40MHz时钟输入，4-l0MH:带PLL锁相环有源晶振/时钟输入;16位宽指令，8位宽数据通道，21个内部/外部中断，2个优先级的中断:32k字节的FLASH程序存储器，1536字节的数据存储器(SRAM),256字节的EEPROM数据存储器。4个定时器,5组I/0口，31级硬件堆栈;增强型CCP模块具有标准型CCP的所有特性，但它在先进的电机控制时还有如下特性，1,2,4路的PWM输出，可选择PWM极性;可编程的PWM死区时间。直接、间接和相对寻址方式;上电复位电路(POR)，上电延时定时器(PWRT)和振荡器起振定时器(OST)，带有片内RC振荡器的监视定时器(WDT)以保证可靠工作;可编程代码保护功能，省电休眠(SLEEP)方式，可选择不同的振荡器工作方式，高速、低功耗CMOS FLASH/EEPROM技术;通过2个引脚可进行在线串行编程及在线调试;宽范围的工作电压:4.2-5.5 V ，最大拉电流/灌电流可达25mA:商业级和工业级的工作温度范围。PICI8F458单片机具有8个通道的10位模/数转换模块(A/D)，它可以在休眠状态的工作模式下转换，并支持低电压检测时产生中断，还支持可编程的锁定复位(BOft )。该芯片的CAN总线模块符合国际标准ISO CAN，高达1Mbps的通信速率，与CAN2 .OB版本相一致，29位校验符，8字节信息长度。3个带优先级的信息发送缓冲器，2个信息接收缓冲器，6个全29位接收滤波器，接收滤波器优先级配置。为高优先级信息配置的多路接收缓冲器，它可用于防止因溢出而造成的信息丢失，并具有优越的错误处理特性。引脚图见图3-2图3-2 PICI8F458单片机引脚图3.1.2检测电路设计1) 电压检测电路设计为了检测供电电网的交流电压，首先必须采集220V交流电信号，然后经过降压或分压等过程，得到PIC18F458单片机可以读取的5V以内的直流电压信号，利用PIC18F458的A/D模块来检测。A/D转换模块工作且为一般精度要求时，用芯片的工作电压作为A/D转换的参考电压(即使用Vcc为参考电压)。PIC18Fxx8的模/数转换模块电路的输入范围为O-Vref，为单极性输入形式，因此对于要采样的交流信号而言，通常做法是把双极性电压经过提升电路转换成单极性，转换成5V内的直流电压信号。由于本系统不要求实时跟随220V的交流电压变化情况，只需要测量其设计了两个10k。和一个1kQ的电阻串连组成的分压电路，把220V交流电分压成约10. 5V的交流电压信号，再经过半波整流电路和4.71F电容滤波电路后，得到约14.5V 的直流电压信号。此时的电压信号仍然大于单片机A/D模块允许的输入范围，因此设计了一个3.3k 52和1kQ的电阻串连分压电路，分压后得到3.3V的电压信号。为了避免强电回路的干扰信号进入单片机，设计了电压跟随器实现电路隔离，并经过470。电阻限流后送单片机的A/D转换模块处理。其原理如图3-3所示。图3-3 电压检测电路原理图2) 电流检测电路设计要检测照明设备工作时的电流信号，必须把检测单元和照明设备串连在一个供电回路中，通常都是把电流互感器的原边和负载串连，副边得到一定比例的电流信号。本系统选择5/250变比的电流互感器，当照明负载电流为5A时，则得到的电流信号为25000/250=100mA，流经110。电阻后，得到11V的交流电压信号。经过整流滤波后，再分压隔离限流后送入单片机的AN1-AN4模数转换模块处理。其原理如图3-4所示。图3-4 电路检测电路原理图3.1.3接口电路设计1) 手动按钮接口电路设计根据智能继电器的输出路数需要，设置相匹配的智能手动按钮，送单片机的1/0端口。当PIC18F458单片机的I/0端口空载时，其引脚电压在逻辑1的时候接近电源电压VDD，在逻辑0的时候接近OV，每个I/0端口的驱动能力为灌入或拉出25mA。所以在使用1/0端口时，必须设计ESD保护电阻，一般所选ESD电阻范围在1000-10kS之间，而且该电阻的引入不能引起输入输出状态的改变。本系统设计了是个手动按钮信号的输入，分别利用单片机的B端口的PDO, PD1, PD2, PD3来检测按钮的状态。每路输入信号由IOK的上拉电阻和按钮串联组成，并在单片机的PBO-PB3引脚连接330。的ESD保护电阻，其原理如图3-5所示；图3-5 手动按钮信号检测电路原理图2) 继电器驱动接口电路设计设计了4路继电器输出，采用PlCIBF458的PC端口RC0,RC1,RC2,RC3来驱动，如前一节所述，I/O端口的拉电流和灌电流有限，而且继电器线圈有很大的电感，会产生极高的反向感应电压，这对I/O引脚是致命的，就算在外面加了续流二极管来保护，由于其二极管的导通延时的原因，根本无法抑制瞬间的高压。因此设计了光祸来驱动继电器线圈，起到了与单片机I/O端口隔离的作用，也消除了强电回路对单片机系统的影响。其原理如图3-6所示。图3-6 继电器线圈驱动电路原理图3) CAN总线接口电路设计单片机PIC18F458的CAN控制器模块输出的TTL电平，需要经过CAN接口模块转换为差分信号。采用Philips的PCA82AC250T模块，也可以采用微芯公司的MCP2551高速CAN总线驱动器，其引脚与PCA82C250T完全兼容。一般需要在CAN总线两端的CAN接头上接入120Q的匹配电阻，为了提高单片机的抗千扰性能，在CAN模块和单片机之间设计了光祸6N137实现光电隔离。其原理如图3-7所示。图3-7 CAN总线接口电路原理图3.1.4 LED显示电路设计显示电路主要是反映继电器输出的状态，实现起来很简单，可以直接和驱动继电器线圈的光祸并连，也可以直接由单片机的I/0端口RC4, RC5,RC6, RC7来驱动发光二极管，同样需要串接限流电阻来保护刀0口的内部电路，同时限制LED因过流而损坏。为了试验方便，设计成直接由单片机I/0口驱动的方式，在计算限流电阻时，一般按照发光二极管的驱动电流1OmA计算，单片机I/0口空载端口电压为VDD电源电压，一般等于5V，计算限流电阻为5V/1OmA=5000 ，设计可选用510。电阻。其原理如图3-6所示。图3-6 LED显示电路原理图3.2 智能调光器的硬件设计3.2.1调光控制常用的两种方式1) 前沿相控调光方式(可控硅调光控制器)前沿相位控制可控硅调光器很早就开始应用于白炽灯的调光，平时较多接触到的经济型调光器都属于前沿相位控制调光器，其原理如图3-8(a)所示，控制电路在交流电压Uin过零并延迟一定相位角后触发可控硅导通。输出至负载R:的输出电压Uout的波形如图3-8(b)所示。图3-8 前沿相位调光控制器原理图控制电路在交流电压Uin过零点后延迟一个相位角去触发正向可控硅导通直到下一个过零点可控硅被反相截止，下一个相位角(:+中)触发反向可控硅导通，直到再下一个过零点被反相截止，这样二个可控硅周而复始地交替工作。这种输出电压波形在触发点处有一个很陡的前沿，电压突然从0跳变到Uin值，如果用它去控制电阻性负载或电感性负载没有什么问题，而用它去控制具有电容性负载的照明设备时，由于电容器的两端电压不能突变，于是会产生峰值很高的浪涌电流。最严重情况是出现在功二/2时，此时输出电压幅度最大，浪涌电流也达到最大，这种浪涌电流会产生电磁千扰，破坏电网质量，甚至会损坏电气设备。一般通过串联电感性扼流线圈来降低它的上升时间，以便减少电磁千扰。2) 后沿调光控制方式(MOS管调光器)为了使这些照明系统