基于LonWorks总线的隧道灯光控制系统
2008-07-04
作者：黄天戍, 罗璠，刘 超
摘 要： 提出了一种基于LonWorks总线的遂道灯光智能控制系统，设计采用神经元芯片" title="神经元芯片">神经元芯片PL3120作为控制核心，以照明系统的供电线路作为通信介质，各智能节点" title="智能节点">智能节点通过协同工作，能够简单而高效地实现隧道照明" title="隧道照明">隧道照明的自动化控制。
关键词： LonWorks总线 PL3120 智能节点 隧道照明自动化
随着经济和科技水平的不断发展，我国的交通网络越来越发达，隧道结构在其中起着重要的作用。然而，隧道结构的正常工作需要合理的照明条件作为保障。隧道照明的作用是使车辆能够安全地进入、通行和离开隧道区域。驾驶员常常在进入和离开隧道的时候有一种视觉上的不适应，那种“眼前一黑”和“眼前一亮”的感觉，经常会引发一些交通意外。正是基于这些，隧道内的光线设计务必要让驾驶员较快地适应隧道内的照明环境，从而保证通过隧道时的交通安全。
1 系统概述
本文所提出的方案是基于LonWorks总线技术的智能灯光控制系统。选择LonWorks总线主要基于两个方面的原因。首先，LonWorks总线可以选择电力线作为通信介质，系统中的数据交换能够直接使用照明系统的供电电源线，无需专门铺设通信电缆，可以大大地节省工程费用；另外，隧道可能长达数千米，其中的调光节点数目较多，LonWorks总线强大的网络通信能力能够很好地满足通信距离和通信效率的要求[1]。
本系统采用管理层和现场层两层结构，如图1所示。管理层通过因特网互连，并由上位机通过访问iLon100网关获取LonWorks现场中各个节点的信息，同时完成LonWorks系统网络的安装维护、配置、监测等。iLon100网关是系统中的一个通信枢纽，同时也相当于现场层中的一个特殊节点，管理层的所有信息都先传达给它，然后由它通过电力线向各节点传送数据。现场层以LonWorks现场总线技术为基础，以神经元芯片为核心，各个节点协调控制隧道中各处的灯光亮度。设计中现场层采用总线型拓扑结构，以电力线为传输介质实现各节点之间的数据交换[2]。
由于各个智能节点的信息交换可以直接通过输入或输出网络变量来完成，并且各个智能节点都是挂在通信介质电力线上，因此任何一个LonWorks节点出现故障只影响其本身而不会危及整个系统，这种彻底的分散型控制体系提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。特别是监控计算机出故障时，整个系统仍可继续工作，保证隧道的正常运行，这和以往的控制系统相比具有极大的优越性。
2 各节点硬件、软件设计
系统节点的物理结构采用双层模块化设计，将以神经元芯片为核心的中央处理单元（CPU）单独设计为一块电路板，然后通过插针插于功能模块之上，以便于系统的调试与检查，同时也可以减少不必要的干扰[3]。功能模块也就是实现光照度检测和灯光亮度调节的具体电路，它们只需要在接收到CPU的控制信号之后产生适当的动作就能完成整个功能了。电路结构框图如图2所示，中间虚框部分为CPU板的基本结构，它是每个节点都共有的核心模块；左边虚框部分则是光照度检测节点所特有的，其功能是将光照度信息转换为电压并量化，然后送给灯光亮度控制节点" title="控制节点">控制节点进行算法处理以控制隧道内各灯的亮度。此节点在系统中共设两个，隧道出口和入口各1个（参见图1）。右边虚框部分为灯光亮度控制节点所特有，其功能是在接收到光强检测节点的数据后，按照拟订的算法控制数字电位器输出适当的模拟电压，以控制隧道内各灯的整流器从而达到控制光强的效果。此节点需根据隧道的长度设立若干个。每个节点有不同的地址，对应于隧道中不同的位置，其灯光亮度就结合该地址而对应控制。
以下对各节点硬件电路及程序设计分别进行介绍。
2.1 CPU部分电路设计
CPU板的主芯片采用Echelon公司生产的PL3120。PL3120是专用于电力线系统的神经元芯片，其内部集成了一个神经元处理核和一个电力线收发器。该芯片除了具有普通神经元芯片的性能，更重要的是它具有一个专用的电力线收发器，能够方便地应用于电力线作为通信介质的场合，而且它具有独特的双载频技术，能够在主要通信频率被阻塞时启用预备频率工作，从而提高了整个系统的稳定性。
本系统工作于CENELEC（欧洲电工标准化委员会）的C波段，其通信主频为132kHz（预备频率为115kHz），对应的时钟典型值为10MHz。PL3120芯片的12个I/O" title="I/O">I/O口，可以通过编程实现SPI和I2C等I/O对象与其他电路接口[4]。
由于系统以电力线为传输介质，通信模块是通过电源电路耦合到电力线上进行传输的，因此，电源模块的正确设计是保证节点正常工作的关键因素。
系统的每一个节点都设计有独立的电源供电并提供通信通道。在该电源电路中，220V电源有两条支路：一路信号经过普通变压器和三端稳压芯片得到15V、12V和5V的直流电压。为通信模块发射电路、传感器和IC芯片等供电。220V电压的另一路信号则通过专用的1：1通信变压器连到PL3120芯片的对应引脚，实现发射接收模块与电力线的安全连接。发射接收模块的电路设计则可以在确定了时钟和通信频段之后参考Echelon公司的数据手册得到。
2.2 光照度检测节点硬件电路及程序设计
光照度检测节点的功能是测量隧道口光照的强度。本系统中使用的光照度传感器的测量范围为0～4000勒克斯（Lux），对应的输出量为0～20mA电流，使用时在其输出引脚上接一个250Ω的电阻，可将电流信号转换为0～5V的电压以便于AD转换器采样。AD转换器使用Microchip公司的MCP3004，CPU通过读取ADC转换的电压值即可计算出光照强度的大小。应用中采用3个相同的传感器测量同一位置的光照度，取其平均值以减小测量误差，同时还可以分析三者测量数据的偏差来判断传感器的工作是否正常。
光照度测量节点的电路设计如图3，PL3120通过编程实现串行SPI接口完成对AD转换器MCP3004的控制，其中IO8作为时钟线与AD芯片的CLK引脚相连，IO9和IO10分别作为数据的输入和输出线与Din、Dout相连，IO0作为片选信号与CS引脚相连。由于神经元芯片和AD模块分处于两块电路板上，为了避免两路电源之间的干扰，使用4片光耦隔离芯片6N137进行电源隔离。
2.3 灯光亮度控制节点设计
在本系统中，灯光强度控制节点是隧道照明的核心部分。首先将照明情况分成64级，即晴天最大亮度定为63级，夜间最低亮度定为0级，由入口处的测光节点所测得的亮度数据确定外界亮度等级，然后根据隧道的长度确定隧道中光强控制节点的数目和位置，并根据隧道照明曲线计算隧道内的各点的亮度等级。调光节点收到亮度级数信息就会输出对应的调光电压来控制电磁感应无极灯。
2.3.1 隧道照明段的设计
本照明系统参照中华人民共和国交通部发布的《公路隧道设计规范》将整个隧道从入口到出口划分为入口段、中间段和出口段三个部分[5]，并将亮度曲线离散化后转换成对应的亮度等级，方便程序进行控制。以上三段的长度可以根据隧道总长进行划分，整个系统以隧道中央为对称点，入口段亮度由外界亮度逐级递减，中间段则全部保持最低的亮度等级，到出口段再逐级增加。
2.3.2 无极灯的开关及亮度控制
灯光亮度控制节点的功能是控制隧道内各盏灯的开、关以及灯打开时的亮度。共有两个控制信号输出，一个是由继电器输出的开关量，另一个则是数字电位器X9241输出的0～5V的模拟控制量，以控制无极灯整流器的输出电压。
开关控制电路如图4，只需由CPU的IO0脚输出一个高电平，光耦TLP521-1导通，继电器由三极管驱动吸合之后，220V供电电源即与无极灯连通，灯被点亮。图中继电器之上反向并联一个二极管是为了防止继电器断开时产生的反向电动势击穿三极管。
0～5V的模拟量控制电压由CPU控制数字电位器X9241输出。X9241有一个标准的I2C接口，能够方便地和PL3120接口。其电路较为简单，只需要将PL3120的IO8作为时钟线，IO9作为双向串行数据线，同时定义IO7作为方向控制信号，用于控制数据的传输方向，根据I2C总线协议编程即可方便实现控制。控光节点的程序流程设计如图5。
本文所设计的系统能够很好地利用LonWorks总线强大的通信功能，实现隧道中多节点的协同工作；同时利用无极灯的供电电源线路作为通信介质，不仅大大地提高了通信效率，而且节省了铺设电缆的费用。
通过7个智能节点的模拟实验，可以看到各节点能够在通信距离达600米的模拟隧道中实现各自的功能并完成通信数据的交换，同时可以检查出传感器的故障情况，达到了预期的效果。
参考文献
[1] 凌志浩．从神经元芯片到控制网络[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[2] 刘永生. Echelon公司的电力线载波通信技术[J].仪器仪表标准化与计量,2002，(9)：20-22.
[3] 黄天戍，祁昶．Lon总线多点I/O智能节点的开发[J]．电子技术应用，2002，28(9)：37～39．
[4] Echelon Corp． PL3120/PL3150 Power Line Smart Transceiver Data Book. Version 2.0 2004.
[5] 重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范.北京：人民交通出版社，2004．