總線(xiàn)技術(shù)在LED亮化工程中的應用

摘 要: 針對LED在亮化工程應用中存在的擴展性差、圖案編輯不靈活及周期長(cháng)等問(wèn)題, 設計了基于CAN 總線(xiàn)、RS485總線(xiàn)的由PC 上位機、通訊中繼器和現場(chǎng)控制模塊三層結構組成的LED控制系統。該系統實(shí)現了對LED組合陣式彩色調光的控制, 不僅通信距離遠, 控制可靠穩定, 彩燈節點(diǎn)擴展性高, 而且可通過(guò)PC上位機對動(dòng)、靜態(tài)光效進(jìn)行設置, 可實(shí)時(shí)仿真實(shí)際顯示效果, 可編程能力及交互性強, 具有良好的工程應用前景。

1 引 言

目前, 在裝飾照明領(lǐng)域中, 由于LED 具有節能、使用壽命長(cháng)、成本低廉、色彩豐富等優(yōu)點(diǎn), 正在被逐步推廣, 但是其也存在著(zhù)擴展性差、圖案編輯周期長(cháng)、不靈活、施工維護不方便等缺陷, 這給工程應用帶來(lái)困難。為了能夠有效地解決這些問(wèn)題, 設計了一種新型的基于網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)控制的LED 彩燈控制系統。該系統結合CAN 總線(xiàn)與RS485總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn), 具有通信距離遠、控制可靠穩定等優(yōu)點(diǎn)。彩燈節點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接,易于擴展, 能夠充分展現LED燈光的魅力。同時(shí), 通過(guò)PC上位機對動(dòng)、靜態(tài)光效進(jìn)行設置, 可實(shí)時(shí)仿真實(shí)際顯示效果, 提高了彩燈控制系統的控制質(zhì)量, 具有很強的可編程能力及交互性, 便于工程應用。

2 CAN 總線(xiàn)與RS485總線(xiàn)概述

2. 1 RS485總線(xiàn)

在自動(dòng)化領(lǐng)域, 隨著(zhù)分布式控制系統的發(fā)展, 迫切需要一種總線(xiàn)能適合遠距離的數字通信。為此,E IA 在RS422標準的基礎上, 研究出了一種支持現場(chǎng)總線(xiàn)完整地實(shí)現了控制技術(shù)、計算機技術(shù)多節點(diǎn)、遠距離和接收高靈敏度的RS485總線(xiàn)標準。RS485總線(xiàn)是工業(yè)領(lǐng)域廣泛應用的LSO /OS 模型物理層標準協(xié)議之一, 采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數據收發(fā)器來(lái)驅動(dòng)總線(xiàn)。利用RS485總線(xiàn)構成的網(wǎng)絡(luò ), 其設備間的相互通信, 需經(jīng)過(guò)“主” 設備中轉才能實(shí)現,這個(gè)主設備通常是PC 機。由于在這種網(wǎng)絡(luò )中只允許存在一個(gè)主設備, 其余全部是 “從 ”設備, 因而存在通信的吞吐量較低、實(shí)時(shí)性較差、從機的系統開(kāi)銷(xiāo)大且從機間通信難度大等缺點(diǎn)。

2. 2 CAN 總線(xiàn)

CAN 總線(xiàn)是德國B(niǎo)osch公司為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議。它是一種多主總線(xiàn), 通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維, 通信速率可達1Mb / s, 通信距離可達10Km。CAN 協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼, 而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼, 使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制。由于CAN 總線(xiàn)具有較強的糾錯能力,支持差分收發(fā), 因而適合高干擾環(huán)境, 并具有較遠的傳輸距離。

3 系統總體結構

系統框圖如圖1所示。系統由三層結構組成,最高層為PC 上位機, 第二層為CAN /RS485 中繼器, 第三層為彩燈現場(chǎng)控制器。PC 機與CAN /RS485中繼器之間通過(guò)CAN 總線(xiàn)進(jìn)行高速數據交換, 速度可達1Mb / s; CAN /RS485中繼器將數據進(jìn)行解碼, 通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò )分配給各個(gè)彩燈節點(diǎn)控制器以進(jìn)行彩燈表演控制。

圖1 系統總體結構圖

3. 1 上位機軟件管理功能

上位機軟件采用MFC 編寫(xiě), 提供了交互界面以供用戶(hù)使用。用戶(hù)可以根據實(shí)際需要的特定效果方便的設置彩燈樣式及布局, 軟件能夠自動(dòng)計算每個(gè)控制單元的動(dòng)態(tài)顏色數據, 最終生成用于表演的光效播放文件。同時(shí), 使用該文件可以在PC 機上進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真, 便于驗證設計效果, 減少了現場(chǎng)維護成本。

3. 2 三層網(wǎng)絡(luò )數據傳輸控制

網(wǎng)絡(luò )傳輸控制是系統的核心, 主要實(shí)現數據分級傳輸, 具有擴大通信距離, 增加所帶彩燈節點(diǎn)數目等功能。使用CAN 總線(xiàn)與RS485總線(xiàn)分級網(wǎng)絡(luò )傳輸具有傳輸速度快、自動(dòng)解決總線(xiàn)競爭、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、糾錯能力強、噪聲抑制能力強等優(yōu)點(diǎn)。

3. 3 LED彩燈變色控制

LED彩燈一個(gè)節點(diǎn)由四組LED 組合而成, 每個(gè)組合分別有R、G、B三色LED 各四個(gè)按照混光原理排列。節點(diǎn)控制器采用PWM進(jìn)行LED調色及灰度控制, 使得調色范圍廣, 灰度等級多, 控制性能良好并且成本低廉。

4 系統硬件設計

該系統硬件主要由電源供電模塊、CAN /RS485中繼器模塊與LED 彩燈控制模塊以及兩級總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口等部分組成。

4. 1 電源模塊

如圖2所示, 系統分兩路電源, 一路5V 給芯片供電, 一路15V 給LED 組合供電, LED 單色由四個(gè)LED串聯(lián), 由于每個(gè)LED 壓降約為2 ~ 3V, 使得LED供電需要較大的電壓, 所以系統設計采用15V供電。由于系統配電為24V 開(kāi)關(guān)電源, 需要穩壓器件前端加穩壓管以降壓, 并且串聯(lián)磁珠以隔離外界干擾。5V 電壓部分經(jīng)過(guò)DC 隔離模塊可產(chǎn)生完全隔離的另一路5V 電源, 給CAN 收發(fā)器隔離另一端供電。

圖2 電源供電電路

4. 2 CAN /RS485中繼器模塊

4. 2. 1 ATMega128與SJA1000接口電路

ATM ega128 是ATMEL 的一款具有128K 可編程FLASH和4K SRAM 的8位微處理器, 作為中繼器模塊的主控芯片, 完全能夠滿(mǎn)足系統需要。

CAN 總線(xiàn)控制器SJA1000 是一個(gè)獨立的CAN控制器, 它與PCA82C200的硬件和軟件兼容, 具有一系列先進(jìn)的功能, 特別適合系統優(yōu)化、診斷和維護等方面的應用。SJA 1000有兩種不同的操作模式:

BasicCAN 模式和PeliCAN 模式。筆者采用的是Pe liCAN模式, 該模式能夠處理所有CAN2. 0B 規范的幀類(lèi)型。

單片機通過(guò)軟件實(shí)現SJA1000 的初始化, 控制SJA1000實(shí)現數據的接收和發(fā)送等。ATMega128與SJA1000的電路連接如圖3所示。

圖3 CAN /RS485中繼器模塊電路

4. 2. 2 CAN總線(xiàn)接口模塊

SJA1000 通過(guò)一條串行數據輸出線(xiàn)TXD 和一條串行數據輸入線(xiàn)RXD 連接到AT82C250 收發(fā)器,AT82C250通過(guò)兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線(xiàn)終端CANH 和CANL連接到總線(xiàn)線(xiàn)路, 如圖3所示。

為了增強總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力, SJA1000的TX0、RX0并不直接與82C250的TXD、RXD相接, 而是通過(guò)高速光耦6N 137隔離相接, 很好地實(shí)現了總線(xiàn)上各節點(diǎn)間的電氣隔離。此時(shí), 光耦兩端的電源必須隔離, 如圖2所示, 采用DC隔離模塊實(shí)現。這雖然增加了接口電路的復雜性, 但卻提高了節點(diǎn)的穩定性和安全性。

4. 2. 3 RS485總線(xiàn)接口模塊

中繼器的另一端是RS485網(wǎng)絡(luò ), 節點(diǎn)收發(fā)器采用MAX487, 可以連接128個(gè)節點(diǎn), 筆者在實(shí)際硬件中設計一個(gè)中繼器連接32 個(gè)彩燈節點(diǎn)。接口電路如圖3所示。

4. 3 LED控制模塊

LED控制模塊中, 每個(gè)節點(diǎn)采用AT89C2051 作為微控制器, 收發(fā)器接口選用MAX487。AT89C2051接收中繼器發(fā)來(lái)的數據, 進(jìn)行解碼后產(chǎn)生控制數據,對每一個(gè)LED組合進(jìn)行PWM 調光。每個(gè)彩燈節點(diǎn)有四組LED組合, 每組包含R、G、B三色混合, 因此共需要12路PWM 信號。如圖4所示, 單片機三路PWM 信號經(jīng)過(guò)ULN2003 驅動(dòng)LED 串, 串聯(lián)回路中必須串聯(lián)電阻以限流, 否則會(huì )燒壞LED。

圖4 LED控制模塊結構圖及驅動(dòng)電路

5 系統軟件設計

彩燈控制系統軟件設計主要包括三大部分: PC機生成彩燈動(dòng)作文件、中繼器數據傳輸控制以及LED調光控制軟件。其中PC軟件采用V isual Stud io 2005設計, CAN /RS485中繼器軟件采用W inAVR 2008設計, 彩燈控制節點(diǎn)模塊軟件采用K eil設計。

5. 1 PC機界面設計

PC機界面是用戶(hù)進(jìn)行彩燈光效設定的交互平臺, 該平臺上具有所有的設定、編輯和預覽功能。設定參數主要包括CAN 總線(xiàn)通訊參數設置, 彩燈的動(dòng)作方式、顯示模式、過(guò)渡效果、過(guò)程時(shí)間以及靜態(tài)圖片與動(dòng)態(tài)圖片的選擇等。編輯是通過(guò)選擇相應的刷筆, 同時(shí)設定線(xiàn)型、線(xiàn)寬等參數來(lái)編輯圖片的屬性。

上位機軟件支持提前效果預覽, 點(diǎn)擊實(shí)時(shí)仿真即可對選中的或編輯的圖片進(jìn)行效果仿真。最終點(diǎn)擊生成光效文件按鈕生成數據文件包, 最后點(diǎn)擊發(fā)送文件按鈕進(jìn)行傳送。PC軟件界面如圖5所示。

圖5 PC機交互平臺界面

5. 2 CAN /RS485中繼器軟件設計

中繼器是系統中數據傳輸的樞紐, ATMega128采用查詢(xún)的方式判斷和接收CAN總線(xiàn)上的數據, 如果是廣播則直接轉發(fā), 如果是自己的數據包則先接收, 直到收到結束幀。確保數據接收完整之后, 首先進(jìn)行光效數據文件解碼, 然后轉換成RS485協(xié)議數據包, 最后才啟動(dòng)串口通過(guò)RS485協(xié)議將數據發(fā)送至下層RS485網(wǎng)絡(luò )。其軟件流程如圖6所示。

5. 3 彩燈控制模塊軟件設計

單片機通過(guò)程序可以實(shí)現驅動(dòng)PWM 信號的周期及占空比的調制。通過(guò)RS485 總線(xiàn)接收上位機發(fā)送的光效文件并轉換成占空比參數, 來(lái)實(shí)時(shí)控制每一個(gè)LED組合。LED是一個(gè)非線(xiàn)性控制對象, 實(shí)際調光過(guò)程表明調光是離散的, 事實(shí)上即使再細化控制占空比仍然無(wú)法做到連續, 只能更平滑。為了避免LED閃爍, 系統固定頻率為500H z, 占空比在1% ~ 100% 之間變化。彩燈節點(diǎn)控制軟件流程如圖6所示。

圖6 中繼器及彩燈節點(diǎn)控制流程

6 結束語(yǔ)

結合CAN總線(xiàn)與RS485總線(xiàn)的優(yōu)勢, 設計了一種新型的具有三層結構的LED 彩燈控制系統。與當前大多數LED 彩燈相比, 該LED 彩燈控制系統不僅人機交互方便、操作靈活、使用壽命長(cháng)、數據傳輸可靠、通信速率高、可擴充性強, 而且還具有更高的性?xún)r(jià)比、更好的裝飾效果等優(yōu)勢, 是一種值得推廣并且很有應用前景的彩燈控制器。