總線技術在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等問題, 設計了基于CAN 總線、RS485總線的由PC 上位機、通訊中繼器和現場控制模塊三層結構組成的LED控制系統。該系統實現了對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, 彩燈節點擴展性高, 而且可通過PC上位機對動、靜態光效進行設置, 可實時仿真實際顯示效果, 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, 在裝飾照明領域中, 由于LED 具有節能、使用壽命長、成本低廉、色彩豐富等優點, 正在被逐步推廣, 但是其也存在著擴展性差、圖案編輯周期長、不靈活、施工維護不方便等缺陷, 這給工程應用帶來困難。為了能夠有效地解決這些問題, 設計了一種新型的基于網絡總線控制的LED 彩燈控制系統。該系統結合CAN 總線與RS485總線的優點, 具有通信距離遠、控制可靠穩定等優點。彩燈節點通過網絡連接,易于擴展, 能夠充分展現LED燈光的魅力。同時, 通過PC上位機對動、靜態光效進行設置, 可實時仿真實際顯示效果, 提高了彩燈控制系統的控制質量, 具有很強的可編程能力及交互性, 便于工程應用。

2 CAN 總線與RS485總線概述

2. 1 RS485總線

在自動化領域, 隨著分布式控制系統的發展, 迫切需要一種總線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總線完整地實現了控制技術、計算機技術多節點、遠距離和接收高靈敏度的RS485總線標準。RS485總線是工業領域廣泛應用的LSO /OS 模型物理層標準協議之一, 采用平衡式發送、差分式接收的數據收發器來驅動總線。利用RS485總線構成的網絡, 其設備間的相互通信, 需經過“主” 設備中轉才能實現,這個主設備通常是PC 機。由于在這種網絡中只允許存在一個主設備, 其余全部是 “從 ”設備, 因而存在通信的吞吐量較低、實時性較差、從機的系統開銷大且從機間通信難度大等缺點。

2. 2 CAN 總線

CAN 總線是德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議。它是一種多主總線, 通信介質可以是雙絞線、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 協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼, 而代之以對通信數據塊進行編碼, 使網絡內的節點個數在理論上不受限制。由于CAN 總線具有較強的糾錯能力,支持差分收發, 因而適合高干擾環境, 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, 第三層為彩燈現場控制器。PC 機與CAN /RS485中繼器之間通過CAN 總線進行高速數據交換, 速度可達1Mb / s; CAN /RS485中繼器將數據進行解碼, 通過RS485網絡分配給各個彩燈節點控制器以進行彩燈表演控制。

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, 提供了交互界面以供用戶使用。用戶可以根據實際需要的特定效果方便的設置彩燈樣式及布局, 軟件能夠自動計算每個控制單元的動態顏色數據, 最終生成用于表演的光效播放文件。同時, 使用該文件可以在PC 機上進行實時仿真, 便于驗證設計效果, 減少了現場維護成本。

3. 2 三層網絡數據傳輸控制

網絡傳輸控制是系統的核心, 主要實現數據分級傳輸, 具有擴大通信距離, 增加所帶彩燈節點數目等功能。使用CAN 總線與RS485總線分級網絡傳輸具有傳輸速度快、自動解決總線競爭、實時性好、可靠性高、糾錯能力強、噪聲抑制能力強等優點。

3. 3 LED彩燈變色控制

LED彩燈一個節點由四組LED 組合而成, 每個組合分別有R、G、B三色LED 各四個按照混光原理排列。節點控制器采用PWM進行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網絡接口等部分組成。

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LED串聯, 由于每個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 開關電源, 需要穩壓器件前端加穩壓管以降壓, 并且串聯磁珠以隔離外界干擾。5V 電壓部分經過DC 隔離模塊可產生完全隔離的另一路5V 電源, 給CAN 收發器隔離另一端供電。

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, 完全能夠滿足系統需要。

CAN 總線控制器SJA1000 是一個獨立的CAN控制器, 它與PCA82C200的硬件和軟件兼容, 具有一系列先進的功能, 特別適合系統優化、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 規范的幀類型。

單片機通過軟件實現SJA1000 的初始化, 控制SJA1000實現數據的接收和發送等。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 通過一條串行數據輸出線TXD 和一條串行數據輸入線RXD 連接到AT82C250 收發器,AT82C250通過兩個有差動接收和發送能力的總線終端CANH 和CANL連接到總線線路, 如圖3所示。

為了增強總線節點的抗干擾能力, 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, 很好地實現了總線上各節點間的電氣隔離。此時, 光耦兩端的電源必須隔離, 如圖2所示, 采用DC隔離模塊實現。這雖然增加了接口電路的復雜性, 但卻提高了節點的穩定性和安全性。

4. 2. 3 RS485總線接口模塊

中繼器的另一端是RS485網絡, 節點收發器采用MAX487, 可以連接128個節點, 筆者在實際硬件中設計一個中繼器連接32 個彩燈節點。接口電路如圖3所示。

4. 3 LED控制模塊

LED控制模塊中, 每個節點采用AT89C2051 作為微控制器, 收發器接口選用MAX487。AT89C2051接收中繼器發來的數據, 進行解碼后產生控制數據,對每一個LED組合進行PWM 調光。每個彩燈節點有四組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 信號經過ULN2003 驅動LED 串, 串聯回路中必須串聯電阻以限流, 否則會燒壞LED。

圖4 LED控制模塊結構圖及驅動電路

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機界面是用戶進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 總線通訊參數設置, 彩燈的動作方式、顯示模式、過渡效果、過程時間以及靜態圖片與動態圖片的選擇等。編輯是通過選擇相應的刷筆, 同時設定線型、線寬等參數來編輯圖片的屬性。

上位機軟件支持提前效果預覽, 點擊實時仿真即可對選中的或編輯的圖片進行效果仿真。最終點擊生成光效文件按鈕生成數據文件包, 最后點擊發送文件按鈕進行傳送。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采用查詢的方式判斷和接收CAN總線上的數據, 如果是廣播則直接轉發, 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, 首先進行光效數據文件解碼, 然后轉換成RS485協議數據包, 最后才啟動串口通過RS485協議將數據發送至下層RS485網絡。其軟件流程如圖6所示。

5. 3 彩燈控制模塊軟件設計

單片機通過程序可以實現驅動PWM 信號的周期及占空比的調制。通過RS485 總線接收上位機發送的光效文件并轉換成占空比參數, 來實時控制每一個LED組合。LED是一個非線性控制對象, 實際調光過程表明調光是離散的, 事實上即使再細化控制占空比仍然無法做到連續, 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。彩燈節點控制軟件流程如圖6所示。

圖6 中繼器及彩燈節點控制流程

6 結束語

結合CAN總線與RS485總線的優勢, 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、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價比、更好的裝飾效果等優勢, 是一種值得推廣并且很有應用前景的彩燈控制器。