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基于RS-485總線LED立面照明智能控制系統(tǒng)
點擊次數(shù):1404 發(fā)布時間:2007/7/31 14:10:28
重慶市光學(xué)機械研究所 郭秋東 嚴永紅 
重慶大學(xué)城市規(guī)劃學(xué)院 
摘 要 文章介紹了基于現(xiàn)場總線LED立面照明的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采用RS-485現(xiàn)場 
       總線技術(shù)對立面照明實現(xiàn)編輯和控制。文章闡述了系統(tǒng)各組成部分的功能和實現(xiàn)方案,重 
          點介紹了自定義的通信協(xié)議以及主站控制軟件的構(gòu)件設(shè)計。 
關(guān)鍵詞 RS-485 串口 燈光 LED 
1 前言 
    目前,在我國各大城市地標性建筑物的夜景立面照明中,已開始大量運用節(jié)能、響應(yīng)快、色彩艷麗的 
LED光源,除節(jié)能外,從夜景效果來看,可控制性強。變化豐富是LED光源與傳統(tǒng)光源的大區(qū)別。因此, 
開發(fā)先進、可靠的控制系統(tǒng)成為發(fā)揮LED光源優(yōu)勢的關(guān)鍵。 
    從國內(nèi)的應(yīng)用狀況來看,目前市場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 
單的色彩變換上。因此,采用兩種控制方式的LED項目與采用傳統(tǒng)光源的項目相比,都存在同一個 
問題:照明效果的固定性。這種現(xiàn)象與LED產(chǎn)品的長壽命、多色彩、高響應(yīng)度等特點相違背,不利于發(fā) 
揮LED的優(yōu)勢,嚴重影響了LED的推廣。因此,我們以為,設(shè)計開發(fā)新型的控制方式,使LED夜景 
畫面可隨時更新,將極大地推動LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 
    筆者通過對國家新材料行業(yè)生產(chǎn)力促進中心于2005實施的課題《半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范工程》 
中新型“LED燈光控制系統(tǒng)”的簡要介紹,對該系統(tǒng)在設(shè)計過程中所涉及到的若干問題進行討論,并 
從系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計、通信協(xié)議設(shè)計、軟件構(gòu)架設(shè)計三個方面重點討論此模式的特點及設(shè)計要點。 
2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計 
    LED智能燈光控制系統(tǒng)是基于RS-485通信技術(shù)的現(xiàn)場總線,通過自定義通信協(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,主控層負責(zé)效果編輯、分析、存儲、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,實現(xiàn)對LED燈具的管理;通信層通過自制定的通信協(xié)議與LED燈具層及主控層進行通信,完成數(shù)據(jù)拆包、校驗、數(shù)據(jù)再分配等多步驟的數(shù)據(jù)處理;LED燈具層由N個燈具組成,核心為Inter C51單片機組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。 
    通過工控PC機上的控制軟件,并利用主、從站的MCS-51類型的單片機作為通信控制器。三層之間通過RS-485現(xiàn)場總線進行物理鏈路連接,通過由主站線程調(diào)度實現(xiàn)從站輪巡時間取得劃分,實現(xiàn)在特定時間片內(nèi)主到燈具XX之間的點對點通信。 
3 通信協(xié)議設(shè)計 
    通信協(xié)議的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵性問題,其信息幀的格式設(shè)計、鏈路建立方式、校驗方法等設(shè)計都影響到系統(tǒng)的實時性與可靠性。下面就地址識別、幀設(shè)計、數(shù)據(jù)包設(shè)計、以及通信鏈路過程四個關(guān)鍵方面進行討論。 
3.1 地址識別 
    地址識別可以采用數(shù)據(jù)包過濾的軟件識別或采用特定硬件地址識別。地址識別方法的確定和軟件識別算法的設(shè)計,將嚴重影響系統(tǒng)的正確性和可靠性。兩種方法的選用,取決于系統(tǒng)的實時性要求和系統(tǒng)采用的硬件結(jié)構(gòu)。 
    本系統(tǒng)中所采用的MCS-51處理器專門為多機通信設(shè)計了一個專用SM2位,為此可以利用硬件識別,實現(xiàn)基于地址/數(shù)據(jù)幀的多機通信。 
3.2 數(shù)據(jù)幀的設(shè)計 
    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),校驗字節(jié),后為停止字節(jié)。幀格式如圖2所示。 
    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,其實也可以歸納到地址幀內(nèi),但此時地址為廣播地址,主要用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,時鐘同步時用于檢測計算延時等;地址幀的設(shè)計是用于地址識別和應(yīng)答,一個主控可控制255個類別控制器,一個類別控制器又可以驅(qū)動255個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?nbsp;
3.3 數(shù)據(jù)包的設(shè)計 
    數(shù)據(jù)包的設(shè)計包括幀的組織方式,各種功能碼設(shè)計、校驗碼設(shè)計以及數(shù)據(jù)設(shè)計問題。數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。功能由上下位機根據(jù)所需傳輸?shù)膮?shù)類型、個數(shù),以及系統(tǒng)對下位機功能設(shè)置情況而進行約定,有特殊字符代表特定的功能碼如圖4所示。 
    其中校驗碼的生成取決于系統(tǒng)所采用的協(xié)議,在某一具體場所可以通過現(xiàn)場設(shè)置來選擇。本系統(tǒng)采用的CRC校驗碼,生成多項式采用CRC-16,該多項式能全部檢查出16位及以下的錯誤,對16位以上的漏檢概率為0.003%,完全滿足系統(tǒng)的要求。 
3.4 通信鏈路的過程 
    由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,該系統(tǒng)必須具有較好的抗干擾性。為了保證總線信號的傳輸不會出現(xiàn)延時、地址信號出錯、指令信號跑飛等情況發(fā)生,通信采用主從應(yīng)答方式和精確劃分時間段的通信輪巡方式。通信鏈路主要過程如圖5所示。主控首先發(fā)送類別控制器的地址幀作為握手信號,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 
    主控制軟件采用模塊化構(gòu)架設(shè)計。通過靈活的軟件構(gòu)架設(shè)計、合理的功能模塊設(shè)計來實現(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交互界面,它向用戶提供整套系統(tǒng)的運行情況、控制器的運行情況、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,進行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理,并將下層反饋數(shù)據(jù)進行處理后傳送到交互層。傳輸層將通過數(shù)據(jù)協(xié)議、組織成幀、打包,通過通信物理層發(fā)送給主控制器,并繼續(xù)分配數(shù)據(jù)。 
5 結(jié)束語 
    本控制系統(tǒng)是一種基于RS-485現(xiàn)場總線的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)計的水準、延長了燈具的使用壽命;另一方面,由于該系統(tǒng)的模塊構(gòu)件實現(xiàn)了一定的通用性和復(fù)用性,對中小型企業(yè)具有較好的經(jīng)濟適用性。 
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