摘  要: 針對LED在亮化工程應(yīng)用中存在的擴(kuò)展性差、圖案編輯不靈活及周期長等問題, 設(shè)計(jì)了基于CAN 總線、RS485總線的由PC 上位機(jī)、通訊中繼器和現(xiàn)場控制模塊三層結(jié)構(gòu)組成的LED控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對LED組合陣式彩色調(diào)光的控制, 不僅通信距離遠(yuǎn), 控制可靠穩(wěn)定, 彩燈節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性高, 而且可通過PC上位機(jī)對動(dòng)、靜態(tài)光效進(jìn)行設(shè)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(qiáng), 具有良好的工程應(yīng)用前景。

1  引  言

目前, 在裝飾照明領(lǐng)域中, 由于LED 具有節(jié)能、使用壽命長、成本低廉、色彩豐富等優(yōu)點(diǎn), 正在被逐步推廣, 但是其也存在著擴(kuò)展性差、圖案編輯周期長、不靈活、施工維護(hù)不方便等缺陷, 這給工程應(yīng)用帶來困難。為了能夠有效地解決這些問題, 設(shè)計(jì)了一種新型的基于網(wǎng)絡(luò)總線控制的LED 彩燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合CAN 總線與RS485總線的優(yōu)點(diǎn), 具有通信距離遠(yuǎn)、控制可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。彩燈節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接,易于擴(kuò)展, 能夠充分展現(xiàn)LED燈光的魅力。同時(shí), 通過PC上位機(jī)對動(dòng)、靜態(tài)光效進(jìn)行設(shè)置, 可實(shí)時(shí)仿真實(shí)際顯示效果, 提高了彩燈控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量, 具有很強(qiáng)的可編程能力及交互性, 便于工程應(yīng)用。

2  CAN 總線與RS485總線概述

2. 1  RS485總線

在自動(dòng)化領(lǐng)域, 隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展, 迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。為此,E IA 在RS422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上, 研究出了一種支持現(xiàn)場總線完整地實(shí)現(xiàn)了控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS485總線是工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的LSO /OS 模型物理層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之一, 采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線。利用RS485總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò), 其設(shè)備間的相互通信, 需經(jīng)過“主” 設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn),這個(gè)主設(shè)備通常是PC 機(jī)。由于在這種網(wǎng)絡(luò)中只允許存在一個(gè)主設(shè)備, 其余全部是  “從 ”設(shè)備, 因而存在通信的吞吐量較低、實(shí)時(shí)性較差、從機(jī)的系統(tǒng)開銷大且從機(jī)間通信難度大等缺點(diǎn)。

2. 2  CAN 總線

CAN 總線是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線, 通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維, 通信速率可達(dá)1Mb / s, 通信距離可達(dá)10Km。CAN 協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼, 而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼, 使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。由于CAN 總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力,支持差分收發(fā), 因而適合高干擾環(huán)境, 并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。

3  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由三層結(jié)構(gòu)組成,最高層為PC 上位機(jī), 第二層為CAN /RS485 中繼器, 第三層為彩燈現(xiàn)場控制器。PC 機(jī)與CAN /RS485中繼器之間通過CAN 總線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換, 速度可達(dá)1Mb / s; CAN /RS485中繼器將數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼, 通過RS485網(wǎng)絡(luò)分配給各個(gè)彩燈節(jié)點(diǎn)控制器以進(jìn)行彩燈表演控制。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3. 1  上位機(jī)軟件管理功能

上位機(jī)軟件采用MFC 編寫, 提供了交互界面以供用戶使用。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要的特定效果方便的設(shè)置彩燈樣式及布局, 軟件能夠自動(dòng)計(jì)算每個(gè)控制單元的動(dòng)態(tài)顏色數(shù)據(jù), 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(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真, 便于驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果, 減少了現(xiàn)場維護(hù)成本。

3. 2  三層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制

網(wǎng)絡(luò)傳輸控制是系統(tǒng)的核心, 主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分級傳輸, 具有擴(kuò)大通信距離, 增加所帶彩燈節(jié)點(diǎn)數(shù)目等功能。使用CAN 總線與RS485總線分級網(wǎng)絡(luò)傳輸具有傳輸速度快、自動(dòng)解決總線競爭、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、噪聲抑制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3. 3  LED彩燈變色控制

LED彩燈一個(gè)節(jié)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(jié)點(diǎn)控制器采用PWM進(jìn)行LED調(diào)色及灰度控制, 使得調(diào)色范圍廣, 灰度等級多, 控制性能良好并且成本低廉。

4  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)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網(wǎng)絡(luò)接口等部分組成。

4. 1  電源模塊

如圖2所示, 系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)采用15V供電。由于系統(tǒng)配電為24V 開關(guān)電源, 需要穩(wěn)壓器件前端加穩(wěn)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, 完全能夠滿足系統(tǒng)需要。

CAN 總線控制器SJA1000 是一個(gè)獨(dú)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(tǒng)優(yōu)化、診斷和維護(hù)等方面的應(yīng)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(guī)范的幀類型。

單片機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)SJA1000 的初始化, 控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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總線接口模塊

SJA1000 通過一條串行數(shù)據(jù)輸出線TXD 和一條串行數(shù)據(jù)輸入線RXD 連接到AT82C250 收發(fā)器,AT82C250通過兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線終端CANH 和CANL連接到總線線路, 如圖3所示。

為了增強(qiáng)總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力, SJA1000的TX0、RX0并不直接與82C250的TXD、RXD相接, 而是通過高速光耦6N 137隔離相接, 很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各節(jié)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(xiàn)。這雖然增加了接口電路的復(fù)雜性, 但卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

4. 2. 3  RS485總線接口模塊

中繼器的另一端是RS485網(wǎng)絡(luò), 節(jié)點(diǎn)收發(fā)器采用MAX487, 可以連接128個(gè)節(jié)點(diǎn), 筆者在實(shí)際硬件中設(shè)計(jì)一個(gè)中繼器連接32 個(gè)彩燈節(jié)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(jié)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)來的數(shù)據(jù), 進(jìn)行解碼后產(chǎn)生控制數(shù)據(jù),對每一個(gè)LED組合進(jìn)行PWM 調(diào)光。每個(gè)彩燈節(jié)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(jī)三路PWM 信號經(jīng)過ULN2003 驅(qū)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(jié)構(gòu)圖及驅(qū)動(dòng)電路

5  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

彩燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分: PC機(jī)生成彩燈動(dòng)作文件、中繼器數(shù)據(jù)傳輸控制以及LED調(diào)光控制軟件。其中PC軟件采用V isual Stud io 2005設(shè)計(jì), CAN /RS485中繼器軟件采用W inAVR 2008設(shè)計(jì), 彩燈控制節(jié)點(diǎn)模塊軟件采用K eil設(shè)計(jì)。

5. 1  PC機(jī)界面設(shè)計(jì)

PC機(jī)界面是用戶進(jìn)行彩燈光效設(shè)定的交互平臺(tái), 該平臺(tái)上具有所有的設(shè)定、編輯和預(yù)覽功能。設(shè)定參數(shù)主要包括CAN 總線通訊參數(shù)設(shè)置, 彩燈的動(dòng)作方式、顯示模式、過渡效果、過程時(shí)間以及靜態(tài)圖片與動(dòng)態(tài)圖片的選擇等。編輯是通過選擇相應(yīng)的刷筆, 同時(shí)設(shè)定線型、線寬等參數(shù)來編輯圖片的屬性。

上位機(jī)軟件支持提前效果預(yù)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(shù)據(jù)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(jī)交互平臺(tái)界面

5. 2  CAN /RS485中繼器軟件設(shè)計(jì)

中繼器是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~, ATMega128采用查詢的方式判斷和接收CAN總線上的數(shù)據(jù), 如果是廣播則直接轉(zhuǎn)發(fā), 如果是自己的數(shù)據(jù)包則先接收, 直到收到結(jié)束幀。確保數(shù)據(jù)接收完整之后, 首先進(jìn)行光效數(shù)據(jù)文件解碼, 然后轉(zhuǎn)換成RS485協(xié)議數(shù)據(jù)包, 最后才啟動(dòng)串口通過RS485協(xié)議將數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

單片機(jī)通過程序可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)PWM 信號的周期及占空比的調(diào)制。通過RS485 總線接收上位機(jī)發(fā)送的光效文件并轉(zhuǎn)換成占空比參數(shù), 來實(shí)時(shí)控制每一個(gè)LED組合。LED是一個(gè)非線性控制對象, 實(shí)際調(diào)光過程表明調(diào)光是離散的, 事實(shí)上即使再細(xì)化控制占空比仍然無法做到連續(xù), 只能更平滑。為了避免LED閃爍, 系統(tǒng)固定頻率為500H z, 占空比在1% ~ 100% 之間變化。彩燈節(jié)點(diǎn)控制軟件流程如圖6所示。

圖6  中繼器及彩燈節(jié)點(diǎn)控制流程

6  結(jié)束語

結(jié)合CAN總線與RS485總線的優(yōu)勢, 設(shè)計(jì)了一種新型的具有三層結(jié)構(gòu)的LED 彩燈控制系統(tǒng)。與當(dāng)前大多數(shù)LED 彩燈相比, 該LED 彩燈控制系統(tǒng)不僅人機(jī)交互方便、操作靈活、使用壽命長、數(shù)據(jù)傳輸可靠、通信速率高、可擴(kuò)充性強(qiáng), 而且還具有更高的性價(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(yīng)用前景的彩燈控制器。