基于RS-485總線LED立面照明智能控制系統(tǒng)

1 前言

       目前，在我國(guó)各大城市地標(biāo)性建筑物的夜景立面照明中，已開始大量運(yùn)用節(jié)能、響應(yīng)快、色彩艷麗的LED光源，除節(jié)能外，從夜景效果來(lái)看，可控制性強(qiáng)。變化豐富是LED光源與傳統(tǒng)光源的最大區(qū)別。因此，開發(fā)先進(jìn)、可靠的控制系統(tǒng)成為發(fā)揮LED光源優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。
       從國(guó)內(nèi)的應(yīng)用狀況來(lái)看，目前市場(chǎng)多采用兩種控制方式：內(nèi)控與外控，應(yīng)用還主要集中在簡(jiǎn)單的色彩變換上。因此，采用兩種控制方式的LED項(xiàng)目與采用傳統(tǒng)光源的項(xiàng)目相比，都存在同一個(gè)問(wèn)題：照明效果的固定性。這種現(xiàn)象與LED產(chǎn)品的長(zhǎng)壽命、多色彩、高響應(yīng)度等特點(diǎn)相違背，不利于發(fā)揮LED的優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)重影響了LED的推廣。因此，我們以為，設(shè)計(jì)開發(fā)新型的控制方式，使LED夜景畫面可隨時(shí)更新，將極大地推動(dòng)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
       筆者通過(guò)對(duì)國(guó)家新材料行業(yè)生產(chǎn)力促進(jìn)中心于2005實(shí)施的課題⟪半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范工程⟫中新型“LED燈光控制系統(tǒng)”的簡(jiǎn)要介紹，對(duì)該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及到的若干問(wèn)題進(jìn)行討論，并從系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)、通信協(xié)議設(shè)計(jì)、軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)三個(gè)方面重點(diǎn)討論此模式的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

       LED智能燈光控制系統(tǒng)是基于RS－485通信技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線，通過(guò)自定義通信協(xié)議在總線上外掛各類型控制器，并由主控統(tǒng)一管理的主從式總線型照明控制系統(tǒng)。它包括主控層、通信層、及LED燈具層，系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如下表所示。
       其中，主控層負(fù)責(zé)效果編輯、分析、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)打包分配，從照明效果參數(shù)的設(shè)定和修改，到數(shù)據(jù)的查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具的管理；通信層通過(guò)自制定的通信協(xié)議與LED燈具層及主控層進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)拆包、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)再分配等多步驟的數(shù)據(jù)處理；LED燈具層由N個(gè)燈具組成，核心為Inter C51單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
       通過(guò)工控PC機(jī)上的控制軟件，并利用主、從站的MCS-51類型的單片機(jī)作為通信控制器。三層之間通過(guò)RS－485現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行物理鏈路連接，通過(guò)由主站線程調(diào)度實(shí)現(xiàn)從站輪巡時(shí)間取得劃分，實(shí)現(xiàn)在特定時(shí)間片內(nèi)主到燈具XX之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
       通信協(xié)議的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題，其信息幀的格式設(shè)計(jì)、鏈路建立方式、校驗(yàn)方法等設(shè)計(jì)都影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。下面就地址識(shí)別、幀設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)、以及通信鏈路過(guò)程四個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行討論。
3.1 地址識(shí)別
       地址識(shí)別可以采用數(shù)據(jù)包過(guò)濾的軟件識(shí)別或采用特定硬件地址識(shí)別。地址識(shí)別方法的確定和軟件識(shí)別算法的設(shè)計(jì)，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正確性和可靠性。兩種方法的選用，取決于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求和系統(tǒng)采用的硬件結(jié)構(gòu)。
       本系統(tǒng)中所采用的MCS-51處理器專門為多機(jī)通信設(shè)計(jì)了一個(gè)專用SM2位，為此可以利用硬件識(shí)別，實(shí)現(xiàn)基于地址/數(shù)據(jù)幀的多機(jī)通信。
3.2 數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)
       本系統(tǒng)中按照以下格式發(fā)送。前8位為起始字節(jié)，接著為地址字節(jié)，接著為命令/數(shù)據(jù)字節(jié)，校驗(yàn)字節(jié)，最后為停止字節(jié)。
       此系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)幀分為三部分：廣播幀、地址幀。數(shù)據(jù)幀。廣播幀是主控發(fā)給所有從控的信息幀，其實(shí)也可以歸納到地址幀內(nèi)，但此時(shí)地址為廣播地址，主要用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，時(shí)鐘同步時(shí)用于檢測(cè)計(jì)算延時(shí)等；地址幀的設(shè)計(jì)是用于地址識(shí)別和應(yīng)答，一個(gè)主控可控制255個(gè)類別控制器，一個(gè)類別控制器又可以驅(qū)動(dòng)255個(gè)LED燈具。數(shù)據(jù)幀主要是完成命令傳送，參數(shù)傳輸?shù)裙δ堋?br/>3.3 數(shù)據(jù)包的設(shè)計(jì)
       數(shù)據(jù)包的設(shè)計(jì)包括幀的組織方式，各種功能碼設(shè)計(jì)、校驗(yàn)碼設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。功能由上下位機(jī)根據(jù)所需傳輸?shù)膮?shù)類型、個(gè)數(shù)，以及系統(tǒng)對(duì)下位機(jī)功能設(shè)置情況而進(jìn)行約定，有特殊字符代表特定的功能碼。
       其中校驗(yàn)碼的生成取決于系統(tǒng)所采用的協(xié)議，在某一具體場(chǎng)所可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置來(lái)選擇。本系統(tǒng)采用的CRC校驗(yàn)碼，生成多項(xiàng)式采用CRC－16，該多項(xiàng)式能全部檢查出16位及以下的錯(cuò)誤，對(duì)16位以上的漏檢概率為0.003％，完全滿足系統(tǒng)的要求。
3.4 通信鏈路的過(guò)程
       由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，該系統(tǒng)必須具有較好的抗干擾性。為了保證總線信號(hào)的傳輸不會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、地址信號(hào)出錯(cuò)、指令信號(hào)跑飛等情況發(fā)生，通信采用主從應(yīng)答方式和精確劃分時(shí)間段的通信輪巡方式。主控首先發(fā)送類別控制器的地址幀作為握手信號(hào)，被尋址的類別控制器應(yīng)答主控，建立鏈接。在判斷地址符合后，主控就按照命令向從控制器傳輸適合的數(shù)據(jù)。

4 軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

       主控制軟件采用模塊化構(gòu)架設(shè)計(jì)。通過(guò)靈活的軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)、合理的功能模塊設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)圖形編輯的處理及管理。主站軟件是在Windows2000、VC++6.0以及FLAH MX的環(huán)境下開發(fā)而成的。下面就軟件構(gòu)架的層次模型進(jìn)行分析。
       控制軟件系統(tǒng)構(gòu)建的層次模型分為三層：界面交互層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)傳輸層。
       在模型中，界面交互層為友好的主人機(jī)交互界面，它向用戶提供整套系統(tǒng)的運(yùn)行情況、控制器的運(yùn)行情況、燈光效果編輯、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定。數(shù)據(jù)處理層是交互層和傳 輸層的橋梁，該層根據(jù)上層的設(shè)定，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理，并將下層反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳送到交互層。傳輸層將通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)議、組織成幀、打包，通過(guò)通信物 理層發(fā)送給主控制器，并繼續(xù)分配數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

       本控制系統(tǒng)是一種基于RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線的LED夜景照明控制系統(tǒng)。一方面，該系統(tǒng)提升了夜景照明設(shè)計(jì)的水準(zhǔn)、延長(zhǎng)了燈具的使用壽命；另一方面，由于該系統(tǒng)的模塊構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了一定的通用性和復(fù)用性，對(duì)中小型企業(yè)具有較好的經(jīng)濟(jì)適用性。