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)光源的最大區(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)勢的關鍵。
       從國內的應用狀況來看，目前市場多采用兩種控制方式：內控與外控，應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產品的長壽命、多色彩、高響應度等特點相違背，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產業(yè)的發(fā)展。
       筆者通過對國家新材料行業(yè)生產力促進中心于2005實施的課題⟪半導體照明應用示范工程⟫中新型“LED燈光控制系統(tǒng)”的簡要介紹，對該系統(tǒng)在設計過程中所涉及到的若干問題進行討論，并從系統(tǒng)構架設計、通信協(xié)議設計、軟件構架設計三個方面重點討論此模式的特點及設計要點。

2 系統(tǒng)構架設計

       LED智能燈光控制系統(tǒng)是基于RS－485通信技術的現(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)層次結構如下表所示。
       其中，主控層負責效果編輯、分析、存儲、數據打包分配，從照明效果參數的設定和修改，到數據的查詢，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，完成數據拆包、校驗、數據再分配等多步驟的數據處理；LED燈具層由N個燈具組成，核心為Inter C51單片機組成的數據處理系統(tǒng)。
       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，通過由主站線程調度實現(xiàn)從站輪巡時間取得劃分，實現(xiàn)在特定時間片內主到燈具XX之間的點對點通信。

3 通信協(xié)議設計
       通信協(xié)議的設計是系統(tǒng)設計的關鍵性問題，其信息幀的格式設計、鏈路建立方式、校驗方法等設計都影響到系統(tǒng)的實時性與可靠性。下面就地址識別、幀設計、數據包設計、以及通信鏈路過程四個關鍵方面進行討論。
3.1 地址識別
       地址識別可以采用數據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)采用的硬件結構。
       本系統(tǒng)中所采用的MCS-51處理器專門為多機通信設計了一個專用SM2位，為此可以利用硬件識別，實現(xiàn)基于地址/數據幀的多機通信。
3.2 數據幀的設計
       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/數據字節(jié)，校驗字節(jié)，最后為停止字節(jié)。
       此系統(tǒng)中的數據幀分為三部分：廣播幀、地址幀。數據幀。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，但此時地址為廣播地址，主要用于系統(tǒng)參數設置，時鐘同步時用于檢測計算延時等；地址幀的設計是用于地址識別和應答，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動255個LED燈具。數據幀主要是完成命令傳送，參數傳輸等功能。
3.3 數據包的設計
       數據包的設計包括幀的組織方式，各種功能碼設計、校驗碼設計以及數據設計問題。功能由上下位機根據所需傳輸的參數類型、個數，以及系統(tǒng)對下位機功能設置情況而進行約定，有特殊字符代表特定的功能碼。
       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，通信采用主從應答方式和精確劃分時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，被尋址的類別控制器應答主控，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據。

4 軟件構架設計

       主控制軟件采用模塊化構架設計。通過靈活的軟件構架設計、合理的功能模塊設計來實現(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。下面就軟件構架的層次模型進行分析。
       控制軟件系統(tǒng)構建的層次模型分為三層：界面交互層、數據處理層、數據傳輸層。
       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)參數的設定。數據處理層是交互層和傳 輸層的橋梁，該層根據上層的設定，進行相關數據信息的處理，并將下層反饋數據進行處理后傳送到交互層。傳輸層將通過數據協(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)分配數據。

5 結束語

       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)的模塊構件實現(xiàn)了一定的通用性和復用性，對中小型企業(yè)具有較好的經濟適用性。