基于总线的智能照明系统设计与研究.doc

分类号 :UDC :密级 :台r支付才戈夫哇 硕士学位论文基于 CAN 总线的智能照明系统设计与研究Research and Design ofIntelligent Lighting SystemBased on CAN Bus赵亚军指导教师姓名 :宋玉阶教授武汉科技大学申请学位级别:硕士专业名称 :电路与系统论文定稿日期 : 学位授予单位 : 学位授予日期 :2012-6-3论文答辩 R期 :武汉科技大学2012-6-3答辩委员会主席 :评阅人:王晓轩教授级高工 王晓轩教授级高工 甘朝晖教授武汉科技大学研究生学位论文创新性声明本人郑重声明 :所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名.弘也Yi日期:如，)- .S. I研究生学位论文版权使用授权声明本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门(按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行)送交论文的复印件和电子版本 ，允许论文被查阅和俏阅 ， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。”武汉科技大学硕士学位论文第I页摘要智能照明系统是指在无人为干预或少干预的情况下，根据设定俯况对照明灯具进行有 效控制的自动控制系统。本文讨论了智能照明系统的控制方式、拓扑结构，分析了 CAN 总线的特点及协议规范，设计了基于 CAN 总线的分布式智能照明系统。智能照明系统采用双层结构设计，上层使用计算机进行集中管理控制，下层使用 CAN总线进行通信，各智能节点分散地安装在合适的区域并通过 CAN 总线进行连接。 CAN-Ethemet 智能网关作为上下层连接的桥梁，既可以实现以太网与 CAl峰的转换，也可 以对下层的 CAN 总线分支进行控制管理。智能照明系统采用 Cotex-MO 系列单片机 LPCl1C14 作为 主控棒，设计了输入/输出、ND 转换、调光这些主要的 CAN 智能节点。同时，还设计了各节点的底层软件、 C灿J 通 讯程序，为上层组态软件的设计提供了方便。在此基础上，解决了传统楼宇自控(B A)系 统造价高、控制结构简单、不能对现场的实际情况进行调整的缺点.基于 CAN 总线的智能照明系统是针对照明需要设计的一个可以独立运行的智能化系 统。它采用目前较为流行的分布式控制系统，通过基于 CAN 总线的智能节点实现对灯光 的智能控制，不仅能够实现多种灯光效果 ，而且减少了能耗，节约了维护成本.其在学校、 酒店、公司、大型场馆等场所具有较高的实际应用价值。关键词:智能照明; C削总线;调光;PWM第 II页 武汉科技大学 硕士学位论文AbstractIntelligent lighting system is an automatic sy如m which can control lamps e能ctively according to the present situation without or less human intervention. Thus the control mode and topology of intelligent lighting system is discussed firstly，the characteristics and protocol specification of the CAN bus is analyzed secondly，at last a distributed intelligent lighting system based on CAN bus is designed in this article. On this basis，the shortcomings of traditional bui1ding automation (BA) system that high cost，simple control structures，and can not adjust according to the actual situation is resolved .The system uses double layer structure，由e upper using a computer to manage and control，the lower using the CAN bus to communicate . Intelligent nodes installed in the appropriate area distributed via CAN bus. CAN-Ethemet gateway is used to connect upper and lower to switch Ethernet to CAN bus. It also be used to control the branch of the CAN bus. Intelligent lighting system uses LPCllC14 single chip microcomputer in series of COTEX-MO as MCU. In 也is缸ticle，inputloutput intelligent nodes，A1D intelligent nodes and dimming intelligent nodes 缸e designed and connected by CAN bus to realize hardware connection. At the s缸ne 也ne，the drivers ofthe nodes，the communication so会ware and main software are analyzed.Intelligent lighting system based on CAN bus is an intelligent system which can operate lamps independently for lighting needs. lt controls lightings intelligeny 也rough the CAN bus intelligent nodes by distributed control system，not only to achieve a variety of lighting effects，but also reduces energy cons山nption， sa词ng costs. lt h臼 practical applications in schools，hotels，companies，and large venues.Key Words: Intelligent Lighting，CAN-bus，Dirnming，PWMl l i 2 2 4 5 5 6 6 6 7 7 8 8 8 9 9 9 9 0 0 0 1 3 3 4 4 6 8 9 0 0 1i ， i l 1 l 且 i sl 呵4 叮L 呵L 计 勾 计 路 路 设 戈 制 定 设 电 忡 电统 总 扑 川 确 路 试 如 入俨 批 方 此 懒 稍 伽 朋 拓 的 电 ￥ 瞅 输 路 器踩吼叫矿 即 出阳吉 凶 立LLrr 瞅 瞅 瞅 瞅 酬 阳 锹 则 叫 州 附 川 h m W M叫 掷 啤 总 环 树 网 时以 阴 阳 制 电 复 C 川 叫 叫M J叫 树 瞅 酬 报 以 销 时 啤 川川 孔 孔 盯 刀 刀 刀 刀 刀 割 刀 刀 川 川 川 脱 础 川 中肌 川 川 口 口 口 小川 口 号再 l 2 3 4 苦F I l l234 ?陆 1 2 34 1且 -a -A 1A :句4 7- qhq匀-.-d?句J qJqd第 III 页武汉科技大学硕士学位论文目录i叫41J第第第第 IV页武汉科技大学硕士学位论文3.3.2 LPCllC14ND 转换器的特点223.3.3ND 转换硬件设计.223.4调光器. .233.4.1 线性调光. .233.4.2 可控硅调光. .243.4.3 PWM 调光.25第 4 章智能照明系统的软件设计. .294.1 CAN 通讯程序设计.294. 1.1 CAN 寄存器.294. 1.2CAN 收/发程序304.2ND 转换软件设计.引4.2.1 ND 转换常用寄存器314.2.2ND 转换软件设计.334.3PWM 调光软件设计344.3.1PWM 寄存器.344.3.2PWM 调光程序.35第 5 章结论.37参考文献. .38致谢. .40武汉科技大学硕士学位论文第 l页第 1 章绪论1.1 研究背景及意义随着社会的发展，节约能源、保护环境的理念越来越受到重视 ，节能减排已成为人们 生活中密不可分的一部分.由于社会物质文化水平的不断提高，人们开始追求灯光艺术带 来的美感，但是景观灯、长明灯的耗电量不可小觑。我国景观照明的耗电盘在整个照明系 统中占据重要地位，而在现代建筑中照明系统对能源的消耗占较大比例。这些现状时刻提 醒人们照明系统需要改进的紧迫性。随着计算机技术的发展，网络技术开始在灯光控制系统中使用，计算机灯光控制系统 越来越受到大家的背睐。使用计算机的灯光控制系统实现了各个照明回路的集中管理，这 种控制方法不仅减少了人力、物力的投资，而且可以通过调节灯光的亮度达到理想的照明 效果。它的另外一个优点就是可以直接采用母线布线，便于安装和后期维修，整个线路的 布线也可以更加整洁美观.但是传统的计算机灯光控制系统主要采用 RS-232、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I11，在系统运行中会出现一些误动作、误操作，致使系统不够稳定。 为解决上述问题，可以在计算机灯光控制系统中引入现场总线.其中 CAN 总线在可靠性、实时性、灵活性、传输距离等方面都具有优势，而且能有效地支持分布控制和实时控制，适合照明系统的需求。基于 CAN 总线的智能照明系统就是采用计算机集中控制管 理，将各个智能节点分散地安装在现场的灯光控制系统。由于系统基于 CAN 总线进行通 讯，因此，符合该协议的智能节点都可以挂在总线上以实现系统的扩展。CA叫总线的纠 错能力强 ，这将是智能照明系统稳定运行的保障。基于 CAN 总线的智能照明系统符合现 代社会对照明设备的需求，尤其适合大型智能楼宇对灯光控制系统的需要。智能照明系统 的上位机通过 CAN-Ethemet 网关与CAN总线系统相连 ，既可以直接对照明设备进行控制，也可以通过网络实现远程控制，有一定先进性。系统还可以根据现场实际情况自动调节照 明设备的亮度，有重大的经济价值和实际应用价值。1.2 国内外发展状况节能与美学的完美结合是现代建筑的设计思想，照明系统对能源的高消耗，促使建筑 界引入绿色照明阳的概念，其中心思想是最大限度采用自然光源、设置时钟自动控制、 采用照度传感器和红外运动传感器等新技术，以达到节约能源的目的 .在发达国家 ，智能建筑领域已经广泛地应用智能照明系统，然而我国在灯光调控、节 能方面的研究起步较晚(目前，灯光调控在欧美的使用率在 50%以上，在亚洲的发达国家 占 15%20%，而中国还不到1 9603号。智能照明作为 一个新兴的行业自 20 世纪 90年代 进入中国 ，其推广力度远远不够.进入 21 世纪，随着我国经济的发展、科学技术的成熟， 国内智能照明进入初级发展阶段 ，出现了百分百、瑞郎、索博等智能照明厂家。随着通信、武汉科技大学硕士学位论文第 5 页网络技术的进一步发展，数字化家居(包括智能照明)将得到快速提升，逐步走入寻常百姓 的生活。同时，智能化的灯控系统，更是酒店、大厦、机场等大型场馆的首要选择。然而，目前国内智能照明市场上由于没有固定的总线标准，仍然有些混乱。各个公司 在照明系统的设计中都使用自己的总线标准，如 ABB 电器的 I-bus、澳洲奇胜的C-bUS4 。 I-bus 和 C-bus 在系统稳定性、编程、操作上仍有不足，尤其是不能与传统照明系统兼容， 因此，如果想替代传统的墙面开关，需要更改布线。 CAN 总线发展较为成熟，而且有标 准的上层应用协议 ，编程简单、兼容性强 ，更适合照明系统的发展和推广匀。1.3 发展前景及应用 随着人类的需求越来越高，智能照明将走向以人为本的科学化照明。以品牌集成为趋势，满足个性化、层次化照明，井将智能技术与新光源相结合，创造崭新、节能、舒适、 美观的照明文化。智能照明应用前景广阔，从普通的智能家居到大型的公共设施，都将成 为其发展和应用的平台。在家居领域 ，随着人们生活水平的提高 ，对舒适生活空间的要求越来越高。智能照明 系统用新的网络开关、遥控开关代替传统的挠板开关;自动控制系统代替原来的传统控制 方式;多场景代替原来的单一形式，是智能家居发展的必然趋势。尤其是别墅、复式等大 空间对智能照明的需求更为明显。在办公领域，随着生活节奏的加快，人们的办公时间也越来越长，对工作环境的关注 也越来越高。智能化照明能够提高办公环境和工作效率:智能照明系统在节能方面的优势 尤为明显，其可以根据上下班时间及光照度控制照明设备的开关或调节灯光的强弱，充分 利用自然光，避免长明灯。在公共设施领域，绿色、安全、环保越来越受到重视，用智能照明代替传统的照明方 式，既能达到人们对灯光模式变换的需求，又能节省人力，实行对灯光的远程控制。同时， 也可根据室内外光线强度调节照明灯具，既人性化又节能。1.4 论文研究内容与安排本文主要研究的内容是 : 利用 CAt叫总线的特点及协议规范，采用 Cotex-MO 系列单 片机 LPC IIC14 作为主控器，针对照明需要设计了一个可以独立运行的分布式智能照明系 统，着重研究了 CAN 总线通信原理及 PWM 在调光系统中的应用。根据课题的研究内容，具体安排如下:第一章简述了智能照明系统的研究意义、研究背景及发展前景。 第二章通过比较各种控制方式、现场总线及拓扑结构，设计了智能照明系统的总体方案:确定计算机作为集中控制平台， CAN 总线作为系统通信方式的分布式控制系统，并 计算了系统中 CAN 总线的最大长度和最大节点数。第三章针对第二章的设计方案，设计了智能照明系统的输入/输出、 AID 转换、调光 智能节点的硬件电路，并对主控器 LPCIIC14 作了介绍。针对调光模块，比较了正向电流调光、可控硅调光和 PWM 调光的特点，设计了一种基于 PWM 的调光电路，该电路解决 了 PWM 数字调光运行在低频时存在的噪声问题.第四章围绕 CAN 总线的特点及协议规范，对智能照明系统的主体软件做了设计，并 完成了智能照明 CAN 通信模块、 AID 转换模块及 PWM 调光模块的软件设计工作。第五章总结智能照明系统存在的问题及对未来的展望。第 2 章智能照明系统总体方案设计智能照明系统就是通过计算机监控、跟踪各个照明回路，使其能够自动地调节电路开 关、电压及电流幅度，改善照明电路中因为不必要的浪费造成的损失，同时可以根据场景 控制器选择所帘的灯光效果，达到优化供电照明系统的目的例。它的主要特点为:1) 系统可以控制任意回路的开关，监视各回路的工作状态或实现某 一回路的连续调光。1.2) 可以利用场景控制器预设不同的场景，从而满足不同环境对灯光效果的需求。3) 可以接入先进的电子感应元器件及各种传感器，对灯光实施自动控制。4) 实时时钟可以根据时间对照明系统进行控制，减少长明灯现象，节省了电能消耗。5) 系统可以通过 Ethemet 进行组网，结构简单且能与其他 BA 系统8Jf联控制。实现以上自动控制效果，必须选择合适的控制方式及通讯方式，这样整个系统才能长 期稳定地运行。本章通过对各种现场总线及计算机网络拓扑结构的比较，设计了 一种优越 的控制方式:系统采用远程计算机网络控制与 CAN 总线现场控制相结合的控制方式。这 种控制方式既能体现网络的远程控制能力，又能体现现场总线系统分布式控制、集中管理、 节约资源、便于维护的特点。结合两种控制方式的优点，使整个系统在稳定性、经济性、 易操控性等方面占有较大的优势.同时 ，多种网络方式互联的控制方式可以根据现场环境 灵活搭建，适用于各种复杂的环境。智能照明系统整体结构如图 2.1 所示. I I 1.戴多孩 110个TI.: 1A1多孩 110个节点 1.&多接 110个节点图 2.1 智能照明系统总体框圈整个照明系统在结构上分为两层，上层为计算机通过Ethemet 进行系统扩展， CAN-Ethemet 网关阴既作为计算机 Ethemet 与 CAN 总线的转换设备，又可以作为各 CAN 总线分支的综合控制系统。下层为 C础4 总线通信系统，智能照明的输入输出、调光、模拟输入(AID 转换)等智能节点通过 CAN 总线进行连接，相互通讯.由于 CAN 总线为多主 机通讯I10l ，在总线空闲时段，任何节点都可以作为主机进行发送，因此，各智能节点既 可以作为接收节点也可以作为发送节点发送当前的数据信息.由于受到传输延迟时间的影响， CAN 总线的最大长度也受到相应的限制，同时总线1长度与传输速率密不可分，在实际应用中应根据应用场合合理设置传输速率和传输距离.C剧收发器所能驱动的最小负载电阻也决定了一条 CAN 总线上最大节点数，通过计算可以得出最大节点数不超过 116 个，这里取 110 个.本章针对以上内容，通过对控制方式、网络拓扑结构进行比较分析，设计了智能照明 系统的总体结构及控制方案.根据网络的等效模型计算了 CAN 总线的最大氏度和最大节 点数。2.1 控制方式的选择自动控制是指在没有人工干预下，利于自动控制装置使被控对象或过程按照预期稳定 运行.自动控制系统不仅节省了人力资源，而且大大提高了工作效率和工作稳定性。随着 计算机技术的飞速发展，计算机控制系统精度高、速度快、存储盘大、容易扩展等特点受 到越来越多的关注。而且，计算机拥有强大的信息处理能力，可以运行较为复杂的控制算 法，获得良好的控制效果，满足各种场合对控制系统的需求.计算机丰富的外设接口为系 统的组建提供了方便 .计算机控制系统按控制方式可分为直接数字控制系统、计算机监督控制系统、分布式 控制系统及现场总线控制系统.2. 1.1 直接数字控制系统直接数字控制(D irect Digit Con位01，简称 DDCII)系统，是通过计算机根据预设值和 算法直接对被控对象进行有效控制的数字控制系统。 DDC 可以利用计算机的分时控制功 能实现多种形式控制多个国路。直接数字控制系统框图如图 2.2 所示。图 2.2 直接数字控制系统框国在系统中，出一台计算机通过检测装置对过程参数来样，并将反馈的来样值与预设值 进行比较、分析、计算，形成所要求的控制信息传送给执行机构，以完成对多个回路的控 制.直接数字控制系统使用计算机完成闭环控制，可以完全取代模拟调节器实现多回路比例积分微分控制ID) ，而且通过程序就能实现各种复杂的控制.直接数字控制系统具有、r武汉科技大学硕士学位论文第 9 页分散在各个网络节点 ，从根本上解决了网络控制系统的可靠性问题。而且，可以通过对功 能模块和参数的标准化实现设备的可互操作性 o FCS 中不同节点以某种总线形式互联， 遵循特定的协议 ，可以实现传感器、控制器等节点的通信 ，减少了传统 DCS 中大量的连 续带来的不可靠性和资源的浪费。现场总线系统以总线电缆连接现场设备 ，结构相对简单， 可以大大地节约电缆及人力成本。随着计算机技术的迅速发展，现场总线控制系统的优势 越来越明显，它将逐步地取代分布式控制系统 ，成为计算机控制系统的主流控制方式。鉴 于上述优点，选择现场总线控制作为智能照明系统的控制方式 ，现场总线控制结构如图 2.5 所示.局部网络(LAN)集中操作监控级分徽过程控制级图2.4 分布式控制结构示意图现场设备2.2 目前较为常用的现场总线困2.5 现场总线控制结构示意困目前较为常用的现场总线有 FF、LonWorks 、 Profibus 、WorldFIP 和 C必-l，下面将对 这几种现场总线的特点及应用范围进行分析。2.2.1 FFFF141(Foundation Fieldbus) ，即基金会现场总线。由现场总线基金会组织开发 ，复合IEC61158 标准.FF 通信模型如图 2.6 所示。FF通信模型用户层现场总线报文规范子层 (FMS)现场总线访问子层 (FAS)数据链路层(DLL)物理层(PHY)圄2.6 基金会现场总线恒的通信模型物理层遵循 IEC1152-2 和 ISA-S50.02 ，现场总线基金会为FF 颁布了 m 低速现场总 线标准和H2高速现场总钱标准。 Hl 的传输速率分别为 3t.25Kbi的，通信距离可达 t900m ， H2的传输速率分为 1Mbit/s 和 2.5Mbi的，通信距离分别为 750m 、500m.用户层主要由定义应用协议、规定通用功能块、实现网络管理等用户所需的应用程序 组成.2.2.2 LODWorksLonWorks(IS)(LON Local Operating System)是由美国 Echelon 公司推出，由 Motorola 、 Toshiba 公司共同倡导，它拥有完整的 7 层通讯模型， LonWorks 使用面向对象的设计方法， 大大地简化了通信网络，只需对支持该协议的设备设置合适的参数就能实现正常的通信。 LonWorks 采用证实方式的安全机制、载波监听多路复用访问方式.为保证系统的实时性 采用了优先权机制，符合大型网络控制系统对实时性的需求。主要应用于智能楼宇、工业 控制和电力等领域。2.2.3 ProfibusProfibus 是过程现场总线的缩写，是一种国际标准化的现场总线。 Profibus 在自动化 领域内，占据若非常重要的地位 ，由 Pro伪fibu山 s-DP、Profibu1沁s-FMS ，、 P阶rof白iibus.乎A 三个兼容 部分组成. DP 速度高、成本低，可以对外设问高速数据传输进行分散处理，适用于加工 工业. FMS 为令牌结构的多主网络，可以实现控制器与现场设备之间通信。PA 服从 C1l58 标准，主要用于工业过程控制，连接符合该协议的传感器和执行器。Profibus 的 传输速率可高达 12Mbi饨，最大传输距离为 1200m，需要长距离传输时可采用中继器，可 采用光缆或双绞线进行数据通信，最大节点数为 12702.2.4 WorldFIPWorldFIP(16J (World Factory Instrument Protocol)是欧洲现场总线标准 EN50170-3 ，在欧洲市场占有重要地位，尤其是法国市场占有率达 60%。WorldFIP 协议模型定义了物理层、数据链路层和应用层，采用有调度的总线访问机制，通信速率高达 2.孤岛itls(500m) 。WorldFIP 的特点是没有网关或网桥，而采用单一的总线结构，即底层控制系统都可 以直接连接到上一级的 WorldFIP 总线上，无线采用与其它总线相混合的方式连接下层设 备，高速和低速的衔接用软件来解决。 WorldFIP 对 FF 总线速率方面进行了拓展，并可以 实现透明联接，主要应用于工业控制、智能楼宇等领域。2.2.5 CANCAN(17J (Control Area Network) 总线，即控制器局域网总线.早期是由德国博世公司 提出的用于汽车的总线方式，随着 C础叫总线的发展，现在已经被广泛地应用于汽车、工 业自动化等领域。 CAN 结构模型包含物理层、数据链路层和应用层，采用多主方式工作， 支持点对点、一对多和全局广播方式收发数据。 CAN-bus 传输距离远(在不加中继器时， 最远可达 10km)、速率高(最高可达1Mbitls)、组网方便且有完善的纠错机制大大增强了系 统的稳定性，因此在智能照明系统中选择 CAN 作为现场控制总线.2.3 智能照明系统网络拓扑结构网络拓扑指网络中节点的互联方式，常用的计算机网络拓扑结构有星型、总线型、环 型、树型和网状型18。智能照明系统采用双级控制，上层为以太网，下层为 C赴J 总线网 络，计算机通过 CAN-Ethemet 网关与挂载在 CAN 总线上的智能节点进行数据交换.下面 将对这几种常见的网络拓扑结构进行分析。2.3.1 星型星型拓扑结构是指网络中各个节点都会连接到中央节点，整个网络由中央节点控制， 任两个节点通信需要通过中心节点发送信息。星型拓扑结构简单、易于实现、便于管理， 但是中心节点是全网可靠性的保障，若出现故障将造成全网瘫痪，这是网络稳定性的不利 因素。而且 ，它属于集中控制，中心节点负载过茧，通信线路利用率低.星型网络拓扑结 构如图 2.7(a)所示。2.3.2 总线型总线型结构是将所有的节点都挂接在一条总线上，其中一个节点是服务器。采用广播 方式进行通信，需要协议规程对介质的访问权进行控制以防止冲突.总线结构的信道利用 率高、结构简单、便于扩充。使用总线的方式节约了电缆铺设成本，价格相对便宜。但是 同一时刻只能有两个节点相互通信，总线被分时共事 ，实时性差。总线型网络拓扑结构如 图 2.7(b)所示.第 10 页武汉科技大学硕士学位论文:斗 -.(d). -. -. .。)(c)/阅(e)2.3.3 环型圄2.7 网络拓扑结构剧环型机构是将各台联网的计算机用通信线路连接成 一个闭合的环，节点之间实现点到 点的连接，环中数据将沿着 一个方向(逆时针或顺时针)逐站传送。在环型结构中，信息传 输延迟时间是确定的，每个节点只与相邻的两个节点进行物理连接，因此，传输控制机制 简单，实时性强。但是在环型网中，如果一个节点出现故障将会引起整个网络的瘫痪 ，因 此可靠性较差。环型网络拓扑结构如图 2.7(c)所示。2.3.4树型树型结构中，节点按层次进行连接，最上层的节点作为根节点对整个网络进行控制， 根节点可包含多个分支，每个分支又可以包含多个节点，节点之间的通信主要通过上下层 进行信息交换。树型具有层次结构，是一种分层网，最高层为中央处理机，最底层是终端， 其结构可以对称。网络中的 一个节点故障不会影响另 一个节点或分支的正常工作，具有一 定的容错能力。任何节点的信息都可以传送给中央处理器，然后进行广播，发送到所有节 点.树型拓扑结构降低了通信成本 ，节点扩充灵活方便。但是，树型结构增加了网络的复 杂性，且网络对根的依赖性较大，根的可靠性是整个网络可靠性的瓶颈。树型网络拓扑结 构图如图 2.7(d)所示。2.3.5 网状型网状结构可分为两种形式一一全连接网状和不完全连接网状。全连接网中每个节点和 其它节点均有物理连接;不完全连接网中 ，并不是每两个节点都有直接连接 ，没有直接连 接的节点之间的通信可以通过其他节点转接。网状结构节点之间的路径多，碰撞和阻塞的 可能性将大大减少 ，局部的故障不会影响整个网络的正常运行 ，适用于对可靠性要求较高 的网络。但是 ，网状网络连接复杂，当节点较多时 ，不易建网 ，网络控制机制复杂，成本急剧增加。网状拓扑结构如图 2贝e)所示。鉴于树型拓扑结构简单、具有容错能力、节点扩充方便等优点，智能照明系统上层的 网络控制部分采用树型结构.武汉科技大学硕士学位论文第 11 页2.4 总线氏度及节点数的确定照明系统在实际应用中，需要确定 C必J 总线上挂载的最大节点数以及 CAN 总线的 最大长度.在 CAN 网络中， CAN 总线的最大长度主要取决于传输速率、时钟周期和传输 介质.C础叫总线非破坏性总线仲裁 (19)和帧内应答的特点决定了传输延时时间对总线长度的 影响.当节点正确接收到报文时，接收节点将发送节点的电平由隐性拉为显性作为正确接 收报文的应答.应答过程必须在一个单位时间内完成，因此时间延时必须小于半个位时钟 周期。非破坏性仲裁限制了 CAN 总线速度进一步提高的可能，直接表现为 C必J 总线的最大传输距离随位速率的增加而变短。 CAN 总线的最大传输距离与位速率的关系如表 2.1所示。农 2.1 CAN 总线最大传输距离与位速率的关系hu归一m3- /刷一离事一距速 - L人位一最CAN 总线的网络分布等效电路如图 2.8 所示，接收节点的差动输入电压由流过该节 点的差动输入电流决定.接收节点的差动输入电阻 R 1 ，发送节点的差动输出电压町 ，总 线电缆的电阻 Rw 决定节点的输入差动电压。当发送节点和接收节点分别在总线两端时，接收节点的差动输入电压为:. -氏(2.1)2- ，1n 11+2Rnr x( -一+一一)RrRI其中，民为接收节点的差动输入电压 ，RT 为 CAN 总线的终端匹配电阻 ，n 为 CA1叫总线网络的节点数。CAN H+Rr(1) VI图 2.8 网络分布等效电路困当接收节点接收到的差动输入电压大于可以检测出显性位的阑值时，才能正确地检测 到显性位，检测显性位所需的差动输入电压为 :只=几，4K-皿， x (问-几)(2.2)其中 ，v飞为节点检测显性位所需的差动输入电压:比为接收显性位的开启电压;几 m为差动系数 ，取值范围在 O l 之间。“武汉科技大学硕士学位论文第 13 页第 3 章智能照明系统硬件电路设计挂在 CAN 总线上的智能节点21J通过 CAN 总线进行通讯，达到系统按照要求稳定运 行的目的.智能照明系统为了实现对灯光的智能调控，必须设计相应的智能节点，所有的 智能节点都以 C创otex有数字E输入输出节点、 AfD 转换结点(模拟量输入节点)、智能调光节点。 数字盘输入节点作为灯具开关量信号的输入，包括晓板开关、触摸型开关和开关量输入型的传感器 i231. 数字盘输入节点可以读取相应的输入状态并发送给输出节点，达到对 某个照明灯具或某些区域的照明设备进行控制的目的。数字最输出节点作为执行机构 ，接 收输入节点的信号并执行相应的操作 ，同时可以对接收到的报文做出应答井返回当前的工 作状态。 AJ D 转换节点即模拟盘输入节点，作为模拟盘传感器的输入接口可以连接光照度 传感器采集当前的光照度，并将信息发送给相应的调光节点。调光节点实际上是一种输出 设备，可以根据光照度传感器采集到的信息，执行调光程序对所控制的照明设备进行调节。所有的智能节点既可以作为发送器也可以作为接收器，这就是 C此吗总线的多主机通 讯方式。本章对智能照明系统的主控器 LPCIIC14 作了介绍 ，并设计了输入/输出、 AfD 转换、调光智能节点的硬件电路。输入模块通过 TTL 电平作为开关量的输入，经过光稿 输入 LPCIIC14 的 GPIO ，微控器读取 GPIO 的状态即可判别当前输入点的开关模式。输 出模块通过微控器 LPCI1C14 的 GPIO 控制三极管的开关控制继电器线圈的吸合 ，从而实 现继电器的常开常闭点对照明设备的控制。这种弱电控制强电的工作模式不但节约了电损 耗，在安装、维护、检修过程中也保障了工作 人员的人身安全. AfD转换节点通过微控器 LPC11C14 的内茸 AJD 转换器将模拟量输入端的模拟信号转换成数字信号，并送入控制器 进行处理.由于 LPC I1C14 的模拟量输入端输入电压必须小于 DC3.3V ，因此，当光照度 变送器的 O-SV 的标准信号输入时，必须进行等比例放大 ，避免电压过高引起较 大的误 差甚至对器件造成损坏。智能调光节点通过调节 PWM 的占空比，从而实现对照明设 备光 照度的调节。与常用的正向电流调光 、可控硅调光相比 ，PWM 调光的调光范围宽、精确 度寓，而且照明设备一直工作在开关状态 ，避免了低电流驱动引起的色偏现象。各个智能 节点通过 CAN 总线进行通讯 ，每个节点均设置 8 位拨码开关来保证节点的地址唯一 ，避 免误操作。3.1 LPCllC14 介绍LPCIIC14 是基于 ARM Cotex-MO 的微控制器，可用于高集成度、低功耗的嵌入式应 用。它提供了 一个简单的指令集 ，CPU 工作频率高达到陆社，外设包含 32阔的 FI出h、 8阔的数据存储器、 一个口C 接口、一个 UART 、2 个 SSP 接口、 4 个通用计时器、以及 多达 40 个 GPIO 引脚。 10 位 ADC ，在 8 个引脚之间可以实现输入多路复用， GPIO 引脚 可以用作边沿和电平触发的中断源。 LPCl1C14 的存储器和外设地址空间如图 3.1 所示。LPCIIC14 可以分配 128 个 AHB 外设， LPCIIC14 的唯一 AHB 外设就是 GPIO，即1I武汉科技大学硕士学位论文第 15 页AII:钟1.18.ftn掬据:ss附 ICLKSSPI PCLKSYSPl.I.CLKStCLKOlJT国3.2 LPCllC14 时钟产生单元 设计电源系统必须考虑输出的电压、电流、功率、波纹，电磁兼容与电磁干扰，电源的功耗及体积，以及其它一些安全因素 (24) 。电压的输出必须符合负载对电压的要求， 包含电压波纹是否在安全范围内，如果电压过低，系统将无法运行，电压过高将使元器件 损害造成不可挽回的损失。电源的电流必须能够带动负载并留有足够的裕 jjl供系统扩展。 电源的功税也是非常重要的因素，功耗过高时容易引起电源发热，从而对电源造成损坏。 电磁兼容和电磁干扰对系统的影响之大往往是难以估计的，因此，在设计电源时一定要考 虑电磁兼容与电磁干扰问题，否则 ，系统将不能长期稳定地运行.下面将针对以上因素对 系统的供电电路进行设计分析。电源电路设计一般包含降压、稳压、滤波三个部分 25，为滤除从电网引入的各种电 磁干扰，往往还会在电源输入端加入输入滤波电路。为使系统使用统一的供电电压，采用 DC12V 作为系统的输入电压。电源的输出电压有 DC5V 和 DC3.3V 两种，输出电压波纹 应小于 5%，提供各种芯片所需的工作电压。输出电流由负载的总功耗决定，这里主要是 各种芯片的功耗及继电器线圈功耗。 LPCllC14 最大功耗 1.5W，CTM8251 最大功耗小子 O.SW ，继电器选用欧姆龙继电器LYJ 系列，线圈功率小于 lW. 因此，考虑到裕量电源 输出电流可选 lA. 由于 12V 转 5V 压差较大，电源芯片自身消耗功率较高，因此，要避 免选用线性电源.照明系统的电源芯片采用 LM2575-4.0 和 LMll17-3.3，其中LM2575-4.0 输入电压范围为 DC7-40V ，输出电压为 DC5V ，带负载能力为3A. LMll17-3 .3输出电压武汉科技大学硕士学位论文第 19 页为 DC3.3V. 可带负载大于 1A。 在数字电路中，由于不需要小信号放大电路，因此，系统对电源噪声抑制的性能要求不高。但是， 一般的系统都是模拟电路和数字电路组成的混合电路系统，这就对电源电路 的要求较高，特别是噪声抑制性能上。一般由传感器测量的外部输入模拟信号比较微弱， 只有经过放大后才能进入 ND 转换器变成数字信号 ，在放大信号的同时，噪声也同时被 放大，因此对模拟电路各种干扰的处理关系到测量的准确性。模拟电路中很多遭受干扰的 途径，尤其是电源引入的噪声对电路干扰最大.而数字电路一般都是高频信号，是噪声干 扰的产生源，若不能正确合理地设计电源，电源电路就会将数字高频信号产生的噪声干扰 引入到模拟电路中。因此，在设计电源时必须将数字电路与模拟电路的电源进行电气隔离， 或将模拟电路与数字电路的接地点分开 ，仅在一点进行相连，模拟地与数字地相连的点要 用磁珠或 0 欧电阻隔离。而且，模拟电路与数字电路尽量远离 ，最大限度地降低数字高频信号对模拟信号的影响。系统的供电系统如图 3.3(a)、(b)所示。由于 LPCllC14 内部拥有 PLL、10位 ADC 的模拟部件和数字部件，属于数字/模拟 混合系统，所以模拟电路和数字电路可以通过不同的引