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(zhǎng)、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(zhǎng)、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(duì)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(chǎng)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(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(jí)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(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有傳輸速度快、自動(dòng)解決總線競(jìng)爭(zhēng)、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(jí)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(jí)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(duì)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(hào)。如圖4所示， 單片機(jī)三路PWM 信號(hào)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(duì)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(hào)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(duì)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(shì)， 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(zhǎng)、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(shì)， 是一種值得推廣并且很有應(yīng)用前景的彩燈控制器。