基于新型电力线载波通信技术实现一种通用LED照明系统.docx

本科毕业设计外文翻译realization of a general led lighting system based on a novel power line communication technology基于新型电力线载波通信技术实现一种通用led照明系统作者姓名 指导教师 所在院系 信息工程学院 专业班级 电气工程及其自动化0802 完成日期 2012.02 基于新型电力线载波通信技术实现一种通用led照明系统摘要：led被视为最有潜力的下一代照明光源之一。在led的应用中，使用电力线载波通信（plc）控制复杂的照明系统是比较普遍。本文论述了一种用于通用led照明系统的新型plc通信技术即p-bus。它主要由四个部分组成：主控制器、从控制器控制led模块、dc-dc模块和辅助设备。本文介绍了该系统控制方法，并且把它与其他通信方法比较，显示p-bus具有许多优点，如减少通信电线和部件、简单的电路拓扑和抑制强干扰。本文讲述了这种新型通信技术的优势，并对整个系统的性能进行了分析。1.引言led已被视为下一代照明的最佳光源之一，因为它有许多独特的优势，如效率高、可靠性好、寿命长、变色和功耗1。近年来随着led发光效率的增加，led的照明产品的应用已经从小型市场转向大众市场1-2。近年来出现了许多基于led在普通照明领域中的应用。在led应用中，plc是用于控制复杂照明系统一种主要的通信技术。与传统的通信技术如rs485、can、以太网相比，在plc上不需要安装其他的传输线5。此外，与无线技术如zigbee相比它的干扰少，因为plc系统设计非常简单。然而，plc技术如lonworks技术在工业控制领域中应用也有很多的缺点，它需要太多的元件来实现通信，从而导致plc系统的价格非常昂贵。本文提出了一种以普通led照明系统为基础的新型的电力线通信技术，被命名为p -bus。本文提出的p-bus是一种在直流系统的基础上使用的一种简单灵活的可编程技术。它有一些优势特点。首先，只有一个晶闸管的驱动电路和一些链接在总线上实现通信的无源元件。其次，由于具有更少的传输线和组件，它的通信可靠性高和抗干扰性能好。在本文中，p-bus被用于一般led照明领域 。基于p-bus开发了led照明控制系统模型。可以实现led调光和远程监控功。对于系统性能进行分析表明，以p-bus技术为基础的照明系统具有相当高的效率。2系统配置图1基于p-bus的led照明系统图1展示的是led照明系统的框图。整个系统分为以下几个部分：a.主控制器：基于 p-bus的led照明系统的通信模块是主从配置的。主控制器负责整个系统的运作。它为p-bus上的所有设备提供电源、启动通信过程和发送各种命令到所有的控制器。主控制器在这篇文章中被称为主节点。详细的p-bus通信和照明系统的操作将在第三节和第四节讲述。b.从控制器：接收主控制器发送的控制命令，然后它把命令转译送给led控制器中的dc - dc模块，最后通过p-bus把led状态发回给主控制器。本文中从控制器被称为从属节点。c.直流模块：im3423，它是国家半导体生产的发光二极管驱动控制器来调节led模块运行在恒定电流的模式。在模型中，输入电压的变化是从直流电压9v到36v，输出端串联着15个1w的led。在这个电路中使用的是升压拓扑结构。d.p-bus上其他设备：这些设备都有p-bus接口，也是从节点。使用键盘输入命令，并将它们送入主节点。当使用键盘时，将会出现一个人机界面，液晶显示器显示led的状态。3p-bus通信介绍p-bus是plc（电力线通信）技术在直流系统中的应用。如图1所示（红色和蓝色）来传递能量和信号。这就是本文中所谓的总线。红色是电源线和其他是地线。p - bus系统采用主从模式。数字控制器是主节点，如图1所示该系统只有一个主节点。所有其他设备直接连接到总线从节点。在p-bus协议中有两个层架构，即物理层和数据链路层。物理层实现了“位”转换成“帧”的形式并且传输到数据链路层。数据链路层接收来自物理层的帧。数据链路层处理过的这些帧，生成了响应帧并且发送回给物理层。图2显示p-bus接口物理层的基本结构。数字控制器、一个p沟道晶体管及其驱动电路、电阻是主节点信号传输所必备的。数字控制器、一个晶体管和驱动电路、二极管、电容器是从节点信号传输所必要的。电阻r1代表直流部分和发光二极管灯。从节点主节点图2显示p-bus接口的基本结构如图2所示红色虚线是电源线和蓝色的虚线是地线。p-bus的位转移定义如下：一个40us低电压水平和80us的高电平的意思是“1”，一个20us的低电平和100us的高电平的意思是“0”。当没有通信总线，电压始终处于高电平。总线只在没有沟通的这段时间传输能量给从节点。主节点使用开关的方法发送“0”和“1”。当晶体管关闭时，电压被电阻拉下来。当晶体管打开时，电压被拉到vdc.。主节点通过控制晶闸管的关闭时间的长短可以设置总线上的位值。从节点的数据发送机制要比主节点的复杂得多。如图3所示（a），当主节点需要从从节点得到响应数据，需保持把位“1”发送到总线上。如果从节点发送“1”，它不采取行动，主节点会从总线上读取位“1”，这将被从属节点认为是“已发送”。如果从节点会发送“0”，如图3所示（b），在总线上从负边沿检测，打开电力管q要延时20 us。此时，如图3所示（b），电流流过从节点上的电容c到主节点的电阻r而到达的地面，母线电平将变为高电平。此刻，主节点将从总线读取“0”。因此，如果主节点发送的是“1”，但收到是“0”，认为从节点发送的是“0”位。从节点使用此修改机制来发送“0”和“1”。图3（a）主机继续发送“1” （b）从节点打开晶体管q（c）从总线上“修改”该位为“0”主从节点接收数据是通过检查总线上的低电平长度。20us是“0”和40us是“1”。没在通信过程中，高电平的长度不是关键。通信波形如图4所示。4通道（上）是电源线的波形。通道2（下部）是晶体管q的基极波形。图4（a）表明主节点发送。图4（b）表明主节点在发送“1”和被从节点修正为“0”。图4（a）通信波形：主节点发送（b）通信：从节点响应波形在数据链路层，一个数据帧的结构是固定的。一个帧有两个部分：一个是主节点发送数据到从节点，另一部分是从节点的反应。主节点可以与一个或多个从节点在一帧通信，这样可以加快系统的控制。表1，是一个帧的例子。主节点可以在一帧中检查32节点的状态。表1 主位点发送命令代码长度数据校验码0x00(8 bit)0x00(8 bit)0xff(8 bit)从位点响应1节点2节点3节点32节点0正常1离线4系统控制介绍p-bus上的主节点即主控制器控制着整个系统的运作。如图5所示，它使用轮询机制来管理每个从属节点，包括led节点。每个设备进行通信在之前，主从点都会检查是否刚刚有一个新的节点（led模块或其他设备）接入主线和是否有一个节点紧急报告如led灯串开路。为了区分连接到总线上的设备，主控制器分配一个唯一的地址给每个设备。在系统中，新节点日志记录有两个步骤：首先，主节点给从节点发命令，要求从控制器的eeprom上每件设备和存储器得到他们唯一的id号；第二，主控制器收到id号码后，将发送包括id号码和地址分配的命令给从属节点，最后这记录过程就完成了。如果一个节点有紧急报告，主控制器将首先与它进行通信并且处理该状况。图5是主控制器的流程图如图1所示，一个led模块由三部分组成：一个主从控制器、lm3423控制的升压转换器和一串led灯管。lm3423具有数字接口。如果led灯串有一个是开路属于异常现象，那么fault引脚被拉到高电位。通过给dim引脚一定pwm波占空比来控制led灯管输出的亮度。图6显示led模块是如何被控制。主控制器通过p-bus总线向从控制器发送调光的命令。从控制器接受命令和转换成一个特定的占空比，并且通过dim引脚给lm3423。从控制器通过检查fault引脚的电平来观察led的状态，并且反馈给主控制器。所有这些都在p-bus协议的一帧上完成的。如果发生故障，主节点将发送另一个命令给从属节点使en引脚变为低电平和关闭的led模块。 图6led控制回路在本文给出的模型中，在几个模块的设计中使用联动控制是为了方便消费者控制几个灯。还包括一个短路保护设计以确保硬件安全。5系统性能分析本文中是基于p-bus总线技术的led照明系统的开发。下面给出了一些基本的规范：输入电压1236v；从节点的最大数量是64； led灯规格是1w/350ma；在一个led模块有15个led； 在dc - dc阶段的效率是92以上。图7显示的是led模块。是p-bus通讯需要已经降到最低尺寸的几个组件。图8显示整个系统的运行。这里有两个led模块。 图7led模块（包括：p总线接口和dc-dc模块）图8系统组件（包括：主节点，led模组，液晶显示器，键盘，led灯）led照明系统的效率是非常重要的。采用p-bus技术的led照明系统具有相当高的系统效率。在该系统中，主要有四个消耗功率的部件。（1）主节点的场效应管：如图2所示场效应晶体管打开和关闭是为了总线上产生电压的变化。其开关频率与通信速率是相同的。在本文提出的模型中，通信速率约是8.3kb/ s。此外，模型中使用的是电阻ron 大于n沟道mosfetp的mosfet。此类型的ron是0.3。（2）通信总线：功率损耗主要是电阻丝。100米双绞线的阻抗大约为2。（3）从节点上的二极管d：如图2所示，对于p-bus接口二极管d是必备的。它的功率损耗不能忽视，因为流过led的电流一定经过它。在表2中列出一个led模块的效率。如表2所示，效率提高伴随着输入电压的提高。 表2 led模块的效率 （4）dc - dc电路（升压）：这部分的效率可以精确地计算。通过设计合适控制器的转换参数，在最坏的情况下效率仍然可以达到92以上。表3是这个照明系统原型效率的实验数据。p-bus上有一个led模块，led灯是一列15个发光二极管。 表3是照明系统原型效率的测试数据输入条件没有长导线使用;系统输入电压：26vvin=24.0v（如表2相同）使用140米的电线系统输入电压：25.6vvin=20.0v(如表2相同)没有led模块静态电流：0.16a静态功率损耗ps：4.2w静态电流：0.16a静态功率损耗ps：4.2wled照明模块工作电流：0.96a总损失pt：26.0wled操作损失的pa：pa = pt - ps=21.8w工作电流：1.04a总损失pt：26.6w线损pw：2.8wled操作损失的pa：pa = pt - ps=22.4w输出功率po19.0w16.7w效率 pa/po87.2%74.6%从测试结果可以看出，系统的静态功耗约为4.2w。在下文的结果中，静态功耗不包括内。带有二极管d的led模块的效率是90到91。如果把场效应管m的损耗计算在内，led模块操作的效率是87.2，如果使用一个长的导线（140m，r =2.8），led模块操作的效率是74.6。在实际应用中，led照明系统通常不用一根长导线，所以它的效率应高于75。此外，由于在p-bus总线上的led模块数量的增加，静态功耗相对于系统的总损失是很小的一部分。该系统的最终效率被认为将超过80。 6.结论在本文中，p-bus应用于一般的led照明系统。它主要是由四个部分组成：主控制器、从控制器控制led模块、dc - dc模块和其他从属设备。本文涵盖了在物理层的通信模式、协议构架、电路结构和p-bus技术的帧的定义。介绍了该系统的控制方法。对以p-bus技术为基础的照明系统进行性能分析表明，它具有相当高的效率。p-bus与其他通信方式相比具有许多优点，如有更少的电线和通讯组件、简单的电路拓扑结构和抗干扰性能好。p-bus技术预计在不久的将投入市场，成为led照明领域内的重要的技术。7.感谢笔者要感谢国家半导体公司的支持。 参考文献1 po-yen chen, yi-hua liu, yeu-torng yau, and hung-chun lee, “development of an energy efficient street light driving system,” sustainable energy technologies, 2008. icset 2008. ieee international conference on, 2008, pp. 761-764. 2 m. wendt and j. andriesse, “leds in real lighting applications: from niche markets to general lighting,” industry applications conference, 2006. 41st ias annual meeting. conference record of the 2006 ieee, 2006, pp. 2601-2603. 3 feng tian, xiang wu, and jingao liu, “research and realization of led display system based on combining can bus with dmx512 standard,” audio, language and image processing, 2008. icalip 2008. international conference on, 2008, pp. 813-818. 4 o. mukhtar, s. golam, e. liu , and t. korhonen, “development of high-rate control system for led based general lighting applicatio