瑪代建築氣圜
樓『ｊ．＝自動化
基於ｃａｎ匯流排的智慧型照明
控制系統設計術
葛炎風，繆希仁，林蘇斌
（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 ３５０１０８）
摘要：針對傳統的燈光照明控制系統存在的通訊距離短、傳輸速度慢、誤位元速率
高等問題，提出了一種基於ｃａｎ匯流排的智慧型照明控制系統。介紹了ｃａｎ匯流排的特點，詳細闡述了智慧型照明系統的總體設計框架，各個模組電路硬體以及軟體設計流程。該設計實現了ｃａｎ通訊功能，達到了調光控制的目的。
葛炎風（１９８６一），男，
碩士研究生．研究方
向為建築電器智慧型化
關鍵詞：ｃａｎ匯流排；智慧型照明系統；通訊轉換器；節點；調光模組
中圖分類號：』…８５５文獻標誌碼：ｂ文章編號
技術。０ 引言
在現代生活中，照明裝置無處不在，而對家居照明環境進行有效的控制至關重要。照明控制系統作為智慧型家庭控制網路系統的乙個重要組成部分，是營造舒適、便捷的智慧型家居環境的關鍵。
ｌｃａｎ協議
１．１ｃａｎ匯流排特點
是控制器局域
網的簡稱，屬於現場匯流排的範疇，最初是德國ｂｏｓｃｈ公司為汽車監測控制系統而設計的，是為了解決汽車眾多的控制與測試儀器之間的資料
目前使用的照明控制系統中，由於網路通訊
大多採用等通訊方式，普遍存在
交換而開發的一種序列資料通訊協議。它是一
種多主站區域網路，能夠有效支援分布式控制系統或實時控制系統的通訊功能；採用雙線序列通
通訊距離短、資料傳輸速度慢、誤位元速率高、可靠性
差等問題，因而迫切需要在照明控制系統中引人新技術，研究出新方案以解決上述問題。
現場匯流排是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機區域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、
信方式工作；多個微控制器可通過ｃａｎ控制器掛
在ｃａｎ匯流排上；具有強有力的檢錯功能，優先權和仲裁功能，可在高雜訊環境條件下使用，其傳
輸速率高達１ｍｂ／ｓ。ｃａｎ匯流排主要具有以下特點 ：
（１）多主機依據優先權進行匯流排訪問。（２）非破壞性的基於競爭的仲裁。
可靠的資料通訊提供了強有力的技術支援。本
文介紹的基於ｃａｎ匯流排的智慧型照明控制系統，傳輸速度快，可靠性高，可滿足照明控制系統的
需要。（３）借助接收濾波的多位址幀傳送。（４）遠端資料請求。
（５）系統資料寬度請求。
繆希仁（１９６５一）。男。教授，碩士生導師，研究方向為建築智慧型化科學與技術研究開發。林蘇斌（１９７７一）。男，講師。研究方向為樓宇自動化與智慧型電器**監測。
**專案：福建省科技計畫專案福建省教育廳專案（ｊｂ０９０２０ｊ
樓寧ｆ】動化
（６）配置靈活性。
（７）錯誤檢測和出錯訊號。
３系統硬體設計
硬體設計主要包括通訊轉換器、節點和調光電路的設計。ｃａｎ介面電路是通
（８）傳送期間若丟失仲裁或由於出錯而遭破壞的幀可自動重發。
（９）暫時錯誤和永久性故障的判別及故障
節點的自動脫離。
１．２ ｃａｎ匯流排幀型別
信轉換器與節點設計的重要組成部分。下面主要介紹通訊轉換器、節點硬體框圖、ｃａｎ介面電
路以及調光電路的設計。
３．１ 通訊轉換器硬體設計框圖
ｃａｎ匯流排支援４種不同結構的ｃａｎ協議幀
型別：資料幀、遠端幀、出錯幀和過載幀，它們都
按一定的格式進行編碼。在ｃａｎ技術規範
通訊轉換器由微控制器介面晶元、ｃａｎ控制器、光電隔離電路以及ｃａｎ
ｖ２．０ｂ中，存在兩種不同的幀格式，其區別在於標
志碼的長度。具有１１ｂｉｔ標誌碼的幀稱為標準
幀，具有２９ ｂｉｔ標誌碼的幀稱為擴充套件幀。幀資料場長度最多為８ ｂｙｔｅ，可滿足通常工業領域控制
收發器等組成，主要負責ｒｓ一２３２與ｃａｎ協議的
轉換。硬體結構框圖如圖２中虛線框所示。
命令、工作狀態等一般要求；同時，８ｂｙｔｅ不會占用匯流排太長時間，從而保證資料通訊的實時性；
採用ｃｒｃ檢驗並可提供相應的錯誤處理功能，保
證了資料通訊的可靠性。
２ 系統整體設計框架
系統硬體設計主要由以下５部分組成：上位ｐｃ機通訊轉換器、各個節點、調光電路以及照明物件，如圖１所示。上位ｐｃ機提供人機交換介面，同時負責資料的接收與管理、控制命令的傳送、系統工作狀態的顯示等通訊轉換器主要負責將ｐｃ機傳送的資料轉換成符合ｃａｎ格式的資料幀以及將各節點
圖２ ｒｓ一２３２／ｃａｎ通訊轉換器框圖
３．２節點硬體設計框圖
節點由微控制器控制器、光電隔離電路以及ｃａｎ收發器等組成，負責執行
上位機命令以及燈狀態資料返回。其硬體框圖
如圖３中虛線框所示。
傳送的資料轉換成ｒｓ．２３２格式，即完成資料轉換。各節點作為下位機，負責執行上
位機的命令以及返回白熾燈工作狀態。軟體設計
包括通訊轉換器、節點以及上位機軟體編寫。
圖３節點設計框圖
３．３ ｃａｎ介面電路
ｃａｎ介面電路主要由３部分構成：ｃａｎ控制器、ｃａｎ收發器以及光電隔離電路。其介面電路如圖４所示。
在圖４中，ｃａｎ控制器選用ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產的ｍｃｐ２５１０晶元，它支援ｃａｎ技術規範
ｖ２．ｏａ／ｂ，並能夠傳送和接收標準幀和擴充套件幀。ｃａｎ收發器選用ｐｈｉ｜ｉｐｓ公司的ｐｃａ８２ｃ２５０芯
圖１系統整體設計框圖
片，對物理匯流排傳輸提供差分收發能力，可以增
．１２．
塑ｌ代建
一圜…一
樓ｊ『ｉ動化
圖４ ｃａｎ介面電路
強驅動能力，增強抗瞬間干擾能力，提高系統可
靠性；光電隔離晶元選用高速光耦６ｎ１３７，實現
匯流排上各ｃａｎ節點間的訊號隔離，增強系統的抗干擾能力。
製表１ｍｃｉｒ２５１０指令集（ｓｐｉ介面）
ｍｃｐ２５１０是ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產的一款控制器區域網（ｃａｎ）協議控制器，完全支援ｃａｎ匯流排ｖ２．０ａ／ｂ技術規範，能夠傳送和接收標準和擴充套件報文，同時具備驗收、過濾以及報文管理功
能；該晶元包含３個傳送緩衝器和２個接收緩衝器，減少了微控制器的管理負擔 ；具有高速ｓｐｉ
介面，可通過ｓｐｉ介面與微控制器進
行資料傳輸，最高資料傳輸速率可達５ ｍｂ／ｓ。
ｍｃｐ２５１０的ｓｐｉ介面指令集如表１所示。
收發囂匹配ｃａｎ速率要求。
３．３．３ 光耦６ｎｌ３７
ｐｃａ８２ｃ２５０為ｃａｎ控制器和物理匯流排之間
的介面，它可以提供向匯流排的差動傳送能力和ｃａｎ控制器的差動接收能力，ｔｘｄ和ｒｘｄ引腳分別經光耦６ｎ１３７連線到ｍｃｐ２５１０的ｔｃａｎ和ｒｃａｎ引腳。其引腳８（ｒｓ）可以選擇兩種不同的工作方式：把該引腳直接與地相連，系統將處
光耦６ｎ１３７的引腳２、３要串聯乙個限流電
阻ｒ ，電阻的阻值為３９０ ；隔離電路兩端兩個
供電電源均為５ ｖ，必須完全隔離；同時，接地也要隔離，否則，採用光耦就失去了意義。
於高速工作方式，在該方式下，為避免射頻干擾，建議使用遮蔽電纜作匯流排；而在波特率較低且匯流排較短時，一般採用斜率控制方式，上公升及下降的斜率取決於
的阻值。圖４中，
ｐｃａ８２ｃ２５０的ｒ 引腳串聯乙個可變電阻 ，以
另外，ｃａｎ匯流排兩端要併聯１２０ｎ的終端電阻，目的是為了避免收發訊號的反射，減小共模
干擾。３．４調光模組硬體設計
目前，家庭照明控制系統的控制物件主要包括白熾燈、螢光燈以及各種節能燈等。由於可調
１３樓 ｉ－：ｆｌ動化
光的節能燈造價較高，在家庭照明控制系統中的
應用還不夠廣泛，本文主要介紹白熾燈調光和螢光燈調光這兩個模組。
３．４．１白，燈例光模組
與ｒ．、ｒ 一起構成觸發電路產生觸發脈衝，閘流體ｖｔ１導通，白熾燈工作。ｌ。、ｃ 構成ｌｃ濾波器，
既可以降低諧波干擾，又可以防止過高的ｄｉ／ｄｔ以及閘流體兩端過高的ｄｕ／ｄｔ，起到保護作用。
３．４．２ 熒圯燈圳＿｝匕艇塊
白熾燈調光方式主要有３種方法，電阻分壓
調光、變壓器變比調光和閘流體相控調光。電阻分壓調光方式浪費電能，變壓器變比調光方式難以實現小型化，浪費金屬材料，而且由於抽頭所限無法連續調光，所以，本文採用白熾燈閘流體相控調光方式。
螢光燈調光模組主要包括ｅｍｉ濾波器、整流
電路、功率因數校正電路、輸出級電路、鎮流器驅動晶元以及主控制器。主控制器通過改變ｐｗｍ占空比來控制調光訊號的幅度，使鎮流器驅動芯
片的半橋驅動輸出發生變化，進而調節螢光燈的亮度。其原理框圖如圖７所示。
調光控制模組包含雙向閘流體驅動電路和過零檢測電路兩部分。通過控制閘流體的導通時刻，控制流過圖５中迴路的電能，這就是閘流體相控調光原理。
圖７螢光燈調光電路框圖
４系統軟體設計
圖５雙向閘流體驅動電路
軟體設計主要包括通訊轉換器、節點以及上位機軟體編寫。
通訊轉換器軟體設計
為了控制閘流體的導通角，需要知道交流電的過零點，即正半週期和負半週期的臨界點。為此設計了圖６所示的過零檢測電路，圖中ｕｌ是
一通訊轉換器通過串列埠與上位ｐｃ機進行通訊，設計中採用中斷方式來實現資料接收，包括
串列埠中斷接收與ｃａｎ中斷接收。流程圖如圖８
所示。個比較器，引腳１、２是輸入端，引腳３是輸出
端。當比較器引腳１電壓比引腳２電壓高時，比
較器引腳３輸出高電平５ ｖ；反之，比較器引腳３輸出低電平０ ｖ，這個輸出訊號送到微控制器的ｉ／ｏ口就可以實現過零檢測，再通過延時子程式後發出觸發脈衝，即可控制閘流體的導通角。
圖６過零檢測電路
圖８通訊轉換器流程圖
主控ｍｃｕ在延時時問到了之後發出觸發脈
４．２節點的軟體設計
４．２．１節點初始化
衝，脈衝訊號經光電耦合器驅動雙向閘流體，如圖
５所示。當微控制器ｉ／ｏ口為低電平時，光耦導通，
．ｍｃｐ２５１０在正常執行之前，必須對ｍｃｐ２５１０
１４．現代建築電氣
樓 ｊｌｉ動化
進行初始化。只有在配置模式下，才能對其進行初始化。晶元上電或復位時，自動進入該模式。
初始化主要包括工作模式、ｃａｎ匯流排的速率、驗收濾波暫存器、驗收遮蔽暫存器以及與中斷相關暫存器的設定。初始化流程圖如圖９所示。
的，報文接收可採用中斷接收方式或查詢接收方式。由於設計中接收報文是被動的，所以不採用查詢方式，而採用中斷方式進行資料接收。這
樣，避免了由於資料超限而引起的資料重發，同時保證了資料接收的快速性。在接收緩衝器收到資料時，ｍｃｐ２５１０的ｉｎｔ引腳產生中斷通知微控制器接收資料並儲存。資料接收流程圖如圖１１
所示。圖ｌ）節點初始化流程圖
４．２．２資料傳送
資料的傳送是由ｃａｎ控制器自動完成的，
使用者只需將要傳送的資料送到ｃａｎ的傳送快取
器，然後向ｍｃｐ２５１０傳送請求傳送指令ｒｔｓ，啟動傳送資料。傳送過程可由ｃａｎ的中斷請求或查詢狀態標誌位控制。該設計中採用查詢方式實現資料傳送，通過查詢ｃａｎ控制器的狀態暫存器，得到傳送緩衝器的狀態。
資料傳送流程圖如圖ｌｏ所示。
圖１１資料接收流程圖
４．３上位機軟體設計
ｃａｎ通訊的上位機軟體主要利用ｒｓ－２３２串
口線，通過通訊轉換器對各個節點
進行資料傳輸，進而達到調光的目的。圖１２為
ｃａｎ通訊上位機平台軟體的介面。
圖１２（：ｉ、～通訊上位機介面
該軟體採用ｖｂ語言程式設計 ，通過串列埠通訊ｍｓｃｏｍｍ控制項實現上位ｐｃ機與通訊轉換器的串
口通訊，進而完成ｃａｎ節點間的資料交換。燈
圖１０資料傳送流程圖
光控制的方式分為全控、組控和單元控，滿足不
同需求的燈光控制。情景模式用於實現特殊的燈光場景，通過微控制器的ｅ ｐｒｏｍ
．４．２．３般據接收
ｍｃｐ２５１０報文的接收是由其自身獨立完成
１５．樓 ｆｉ動化
來儲存各盞燈的狀態與亮度，以防止掉電消失。
５ 結語
本文設計了以微控制器為核心的通訊轉換器、節點以及ｃａｎ上位機軟體，實現了ｃａｎ通訊，達到了調光目的。基於ｃａｎ匯流排的智慧型照明控制系統具有功能強大、實時性強、穩定可靠、便於擴充套件等特點，應用前景廣泛。同時，本文中介紹的硬體整體設計、軟體設
張皆喜。王茂凌。張瑜．ｐｉｃ系列微控制器ｃ語言編
程與應用例項［ｍ］．北京：電子工業出版社，２００８．［２］王黎明。夏立，邵英，等．ｃａｎ現場匯流排系統的設計
與應用［ｍ］．北京：電子工業出版社，２００８．
ｓｕａｌｂａｓｉｃ程式設計從基礎到實踐［３］沈煒，郭偉偉．ｖｉ
計思路也同樣適用於其他基於ｃａｎ匯流排的分布
式系統的設計。
［ｍ］．２版．北京：電子工業出版社。２００８．
收（上接第５頁）
［４］中華人民共和國住房與城鄉建設部．綠色ｉ建築評價標識管理辦法［ｇ］．２００７．
ｓｈａｏ啦１６
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第 卷第 期 桂林理工大學學報 年 月 文章編號 基於 匯流排的鐵路道口控制系統 肖洪祥 賴峻灝 桂林理工大學 資訊科學與工程學院 機械與控制工程學院，廣西桂林 摘要 針對現有鐵路道口訊號控制系統 定點報警 方式對快速列車和慢速列車的速度不能識別，造成道口關閉時機不合理 影響道口通過效率等問題，提出...
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