专利名称：一种含地址识别的总线式照明控制装置的制作方法
技术领域：
—种含地址识别的总线式照明控制装置技术领域[0001]本实用新型属于智能照明控制技术范围，特别涉及一种含地址识别的总线式照明控制装置。
背景技术：
[0002]照明控制系统是建筑业的重要组成部分，与我们的生活密切相关。现代智能建筑要求照明控制系统在提供良好的舒适光环境的同时，还要达到绿色节能的效果。随着智能化高度发展，传统照明控制方式和基于DDC的自动照明控制方式由于其耗费电缆多、施工安装复杂、自动化程度低等缺点，已逐渐被智能照明控制方式所取代。[0003]基于现场总线的智能照明控制方式其控制线路结构简单、节省电缆、负载量大、便于维护改造，并且可通过软件设置实现照明控制智能化。现已应用于照明控制的总线协议有:ACN总线、Art-net总线、Dynet总线、DALI总线、EIB总线、DMX512总线、HBS总线、C-Bus 总线等。诸多总线技术有其各自的优点也有其局限性，由于技术及市场等原因这些总线技术很难统一到一个标准上。[0004]基于以上照明控制发展现状，我们有必要研究一种新型的适合建筑室内照明、节能效果好的总线照明控制器。实用新型内容[0005]本实用新型的目的是针对传统照明控制方式和基于DDC的自动照明控制方式由于其耗费电缆多、施工安装复杂、自动化程度低等缺点而提供一种含地址识别的总线照明控制装置，其特征在于，该装置包括上位机控制部分1、MCU(微控制单元)及1-Wire总线网络驱动部分2和1-Wire总线节点控制部分3 ；[0006]所述上位机控制部分包括上位机服务器以及CAN总线，上位机服务器通过CAN总线与MCU之间进行串口通信；[0007]所述MCU及1-Wire总线网络驱动部分包括:MCU和1-Wire总线驱动模块 (DS2482-100)连接，MCU通过红外遥控器与可选址遥控发射器无线连接；[0008]所述1-Wire节点控制部分由1-Wire总线(双通道可编程I/O芯片DS2413)分别连接1-N个开关驱动模块；各开关驱动模块连接各自的受控负载及工作电源；受控负载包括照明装置、继电器及指示灯。[0009]所述N为正整数。[0010]所述1-Wire总线驱动模块中的DS2482-100芯片是I2C总线(上位机总线协议) 与1-Wire总线(Ι-Wire从器件总线协议)的桥接器件,可直接与标准或快速(400kHz最大值)的I2C主机连接，完成I2C主机和任意下游1-Wire总线从器件之间的双向总线协议转换。[0011]所述标准 I2C主机的频率最大值为IOOkHz ;快速I2C主机的频率最大值为 400kHz ο[0012]本实用新型的有益效果是针对现有照明控制系统存在的缺点与不足而研发的可寻址照明控制器。利用1-Wire总线技术实现长距离、点对点的多路遥控，构建了遥控接收和可寻址主控制器以及基于1-Wire总线的可控对象接收器，省去了以往点对点无线遥控的接收控制器。并且只通过I根控制总线来完成对目的被控对象的控制，大大节省了系统的I/O资源，系统布线简单、成本低廉。本实用新型所提供的含地址识别的照明控制器性能稳定，便于总线扩展和维护，对开关量控制有很好的推广应用前景。
[0013]图1为照明控制器系统的总体结构示意图。[0014]图2为芯片DS2482-100的连接示意图。[0015]图3为芯片DS2413的连接示意图。[0016]图4为MCU及1-Wire总线网络驱动部分的连接示意图。[0017]图5为1-Wire总线节点控制部分的连接示意图。
具体实施方式
[0018]本实用新型提供一种含地址识别的总线照明控制装置。
以下结合附图对本实用新型进行详细说明。[0019]图1为照明控制器的系统总体结构示意图。该装置包括上位机控制部分1、MCU(微控制单元)及1-Wire总线网络驱动部分2和1-Wire总线节点控制部分3 ；[0020]所述上位机控制部分包括上位机服务器以及CAN总线，上位机服务器通过CAN总线与MCU之间进行串口通信；主要完成与MCU之间的串口通信，进而实现对远程设备的控制及数据采集，串口通信协议采用RS232串行连接标准。上位机服务器可安置于系统控制室， 并通过CAN总线与MCU通信。[0021 ] 所述MCU及1-Wire总线网络驱动部分包括:MCU和1-Wire总线驱动模块 (DS2482-100)连接，MCU通过红外遥控器(选配)与可选址遥控发射器无线连接；l_Wire总线驱动模块与1-Wire总线(双通道可编程I/O芯片DS2413)连接；其中MCU采用的是单片机STC90C51，红外遥控器采用SM0038。由于直接采用1-Wire双通道可编程I/O芯片DS2413 只能实现短距离信号传输，当DS2413与MCU之间距离超过3m时信号易受外界干扰，所以需要借助1-Wire总线网络驱动芯片DS2482来实现远距离控制，实际距离可达300m。图1中， 用虚线将MCU及1-Wire总线网络驱动部分框起来，表明将MCU、红外遥控器、1-Wire总线网络驱动芯片等集成到ScmXScm的开发板上，并将其安置于厂房内，便于红外遥控器控制。[0022]所述1-Wire节点控制部分由1-Wire总线为(双通道可编程I/O芯片DS2413)分别连接1-N个开关驱动模块(N为正整数)；各开关驱动模块连接各自的受控负载及工作电源；受控负载包括照明装置、继电器及指示灯。将DS2413、继电器、指示灯集成到3cmX3cm 的开发板上，制成一个节点控制盒。节点控制盒可以灵活地安置于各个受控设备上，进而实现点对点的可寻址多路遥控。本实用新型所研究的照明控制器，不包含检测部分，根据现有情况，不考虑阳光对室内光照的影响，也就是不考虑窗帘升降模块，只研究了照明器具的可寻址控制，实现一个空间内集中控制所有灯具，通过对灯具的寻址，按要求控制每一个灯具的亮灭，形成不同模式的光照效果。另外，本实用新型没有详细阐述上位机控制部分，因为上位机通信部分是一个较为复杂的网络，需要进一步研究、改善。本实用新型的研究核心就是下位机MCUU-Wire总线网络驱动部分、1-Wire总线节点控制部分。图2为芯片DS2482-100的连接示意图。所述DS2482-100芯片是I2C总线(上位机总线协议)与1-Wire总线(Ι-Wire从器件总线协议)的桥接器件,可直接与标准(IOOkHz最大值)或快速(400kHz最大值)的I2 C主机连接，完成I2 C主机和任意下游1-Wire总线从器件之间的双向总线协议转换。DS2482-100 有 8 个引脚，分别是:VCC, 10, GND, SCL, SDA, PCTLZ, ADI, ADO0 引脚 I(VCC)是电源电压输入端；引脚2 (IO)是1-Wire输入/输出驱动；引脚3 (GND)是参考地；引脚4 (SCL)是I2C串行时钟输入，必须通过上拉电阻连接至VCC ;引脚5 (SDA)是I2C串行数据输入/输出，必须通过上拉电阻连接至VCC ;引脚6(PCYLZ)低电平有效控制输出，用于控制外部P沟道M0SFET，为1-Wire总线提供额外的电源，例如:为Ι-ffire器件临时提供更大的电流；引脚7 (ADl)与引脚8 (ADO)是I2C地址输入端，必须连接至VCC或者GND，这些输入确定该器件的I2C从地址。DS2482-100也是自定时1-Wire主机控制器，支持高级的1-Wire波形特性，包括标准和高速的速率、有源上拉和电源供电的强上拉。一旦提供了命令和数据，DS2482-100的输入/输出控制器可实现严格定时的1-Wire通信功能。主机再通过状态寄存器获得反馈(Ι-Wire功能完成状态、应答脉冲、1-Wire短路、选择的搜索路径)，或通过读数据寄存器读取数据。DS2482-100可以通过I2 C总线接口实现在标准模式或高速模式下与主机处理器的通信。SDA是DS2482-100的漏极开路输出，需要一个上拉电阻来实现高逻辑电平。因为DS2482-100仅使用SCL作为输入(无时钟扩展)，因此主机可以通过带有上拉电阻(M0S管)的漏极/集电极开路输出 ，或推挽式输出驱动SCL。根据I2 C指标，在VOL为0.4V时，从器件必须能够吸入至少3mA的电流。这个直流状态确定了上拉电阻的最小值:RP(MIN) =(VCC-0.4V)/3mA。采用5.5V的工作电压，上拉电阻的最小是为1.7kQ。对于I2 C系统，从上拉电压的30%到上拉电压的70%来测试上升时间和下降时间。最大容量的总线电容CB是400pF。标准模式下，最大上升时间不能超过1000ns;而在高速模式下为300ns。假定以最大的上升时间计算，在所给定的电容CB下最大的电阻值计算为:RPMAXS =IOOOns/[CB xln(7/3)]；RPMAXF =300ns/[CB x In(7/3)]。对于400pF的总线电容而言，标准模式下，最大上拉电阻为2.95kΩ，而在高速模式下，则为885 Ω。1.7kQ和2.95 kQ之间的电阻值可以满足标准模式下的所有要求。由于上拉电阻为885 Ω，需要可以满足在高速和400pF总线电容下的上升时间的指标。885Ω上拉电阻比在5.5V下要求的RP(MIN)要低，因此必须找出另一种方法。首先计算在任何给定的工作电压下的最小上拉电阻，接着再计算产生300ns的上升时间各自对应的总线电容。对于3V或更低的上拉电压而言，能够允许400pF的总线容性负载。而对于4V或更低的上拉电压来说，能接受300pF或更低的总线容性负载。对于高速模式下的任何上拉电压，总线电容不能超过200pF。DS2482-100有三个I2C主机读取的寄存器:配置寄存器、状态寄存器和读数据寄存器。通过读指针对这三个寄存器进行寻址。读指针的位置，也就是主机在随后的读访问中读取的寄存器是通过最后对DS2482-100执行的指令来定义的。主机通过读、写配置寄存器使能1-wire总线功能。DS2482-100可以通过配置寄存器使能或选择三个1-Wire功能，这些功能为:有源上拉(APU)，强上拉(SPU)和1-Wire速率(1WS)。器件复位(重新上电或Device Reset命令初始化)后，配置寄存器为00h。当对配置寄存器进行写操作时，只有高四位(第7位至第4位)是低四位(第3位至第O位)的反码时，才接受新的配置数据。当对配置寄存器进行读操作时，高四位保持为Oh。APU位控制由有源上拉(摆率受控的晶体管)还是由无源上拉(RWPU电阻)驱动1-Wire总线从低电平至高电平。工作过程:在tl时刻，下拉结束。从这一时刻开始，1-Wire总线通过DS2482-100内部的电阻RWPU被拉高。上拉斜率由VCC和1-Wire总线上的容性负载决定。如果有源上拉被禁止(APU=O),电阻上拉继续工作，如实现所示。在有源上拉使能(APU=I)条件下，当电压t2时刻达到VILl (MAX)和VIHl (MIN)之间时，DS2482-100采用受控的摆率有源拉高1-Wire总线。继续有源上拉，直到t3时刻达到tAPUOT延时终止。在此之后，一直保持电阻上拉。图3为芯片DS2413的连接示意图。DS2413有6个引脚，分别是:GND1，10，NC，P10B，GND2，P10A。引脚I (GNDl)是参考地I ;引脚2 (IO)是1-Wire总线接口，漏极开路，需要外接上拉电阻；引脚3 (NC)空脚；引脚4 (PIOB)与引脚6 (PIOA)是可编程I/O引脚，漏极开路，带弱上拉；引脚5 (GND2)参考地2，应用时两个GND引脚需要连接在一起。DS2413在单芯片上集成了两个PIO引脚和独具特色的1-Wire接口。PIO输出为开漏输出，可工作在28V高电压，最大导通阻抗为20欧姆。牢靠的通信协议确保PIO输出无差错的变化。每片DS2413都有一个64位长的注册码。该注册码保证了唯一的身份码，同时还可以用于多点1-Wire网络环境中的物理地址，以便多个从器件挂接在同一条总线，且相互独立工作。从器件以寄生方式从1-Wire总线中获取电源。DS2413的应用包括配件识别及控制、系统监视、通用输入/输出。DS2413有两个主要组成部分:64位注册码及PIO控制。总线主机必须首先提供七个 ROM 操作命令中的一个:I) Read ROM, 2) Match ROM, 3) Search ROM, 4) Skip ROM,5) Resume, 6) Overdrive-Skip ROM , 7) Overdrive-Match ROM。如果在标准速率下执行了 Overdrive ROM命令，器件将进入高速模式，此后的所有通信都以高速模式进行。成功执行完一条ROM功能命令后，主机就可以发出两个PIO功能命令之一对PIO进行访问了。所有数据读写都是低位在前。DS2413在单芯片上集成了两个PIO引脚和独具特色的1-Wire接口。牢靠的通信协议确保PIO输出无差错的变化。符合1-Wire从器件要求，每片DS2413都有一个64位长的注册码。该注册码保证唯一的身份码，同时还可以用于多点1-Wire网络环境中的物理地址，以便多个从器件挂接在同一条总线上,且相互独立工作。它以寄生方式从1-Wire总线中获取电源。DS2413的应用包括配件识别及控制、系统监视、通用输入/输出，LED控制等。DS2413有两个主要组成部分:64位注册码及PIO控制。每片DS2413都有唯一的64位ROM注册码。其中，前8位是1-Wire产品的家族码，接下来的48位是每个器件唯一的序列号，最后8位是前面56位的CRC (循环冗余校验)码。1-Wire器件的CRC是通过由移位寄存器和异或门(XOR)组成的多项式发生器产生的，这个多项式 为:X8 + X5 + X4 + I。关于Dallas的1-Wire循环冗余校验的更多信息。移位寄存器初始化为零，接着从8位家族码的最低有效位开始移入，每次移入I位。当第8位家族码移入后，开始移入序列号；第48位序列号移入后，移位寄存器中的值即是CRC值。要注意的是，继续移入DS2413内部的8位CRC校验码，如果接收数据正确，则移位寄存器
将归零。每个PIO引脚都带有一个漏极开路下拉晶体管，可承受28V的电压。该晶体管由PIO输出锁存器控制，如图3-15所示。PIO引脚通过PIO控制单元与1-Wire接口相连。1-Wire总线系统由一个总线主机和一个或多个从器件组成。在所有应用中，DS2413都作为从器件使用。通常总线主机是一个微控制器。关于1-Wire总线系统的讨论分为3个部分:硬件配置、处理流程和1-Wire信令(信号类型和时序)。Ι-ffire协议以特定时隙期间的总线状态来定义总线通信方式，该特定时隙起始于总线主机发出的同步脉冲的下降沿。1-Wire总线系统仅定义了一根信号线，因此在合适的时间驱动总线上的各个器件是十分重要的。为使上述操作易于实现，接到1-Wire总线上的每个从器件的输出必须为漏极开路或三态输出。DS2413的1-Wire端口是漏极开路输出，其内部等效电路如图3_16所示。多点总线系统由一根1-Wire总线和多个从器件组成。DS2413支持14.9kbps (最大)的标准通信速率和IOOkbps (最大)的高速通信速率。注意，传统1-Wire器件在标准速度模式和高速模式下的数据传输速度分别为16.3kbps和142kbps。上拉电阻的阻值主要取决于网络大小和负载条件。在任何速度模式下，DS2413都要求最大值为2.2k欧姆的上拉电阻。1-Wire总线的空闲状态为高电平。如果由于某种原因需要暂停通信，且要求通信还能恢复时，必须将总线置于空闲状态。如果未置于空闲状态，且总线保持低电平的时间超过16μ s(高速模式)或120 μ s (标准速率)，总线上的所有从器件将被复位。DS2413的关键特性有:(I)漏极开路可编程I/O引脚，支持20mA的最大持续吸电流及28V最大工作电压，PIO下拉晶体管的导通电阻最大值为20 Ω ;关断电阻最小值为IM Ω。(2)通过1-Wire获取寄生电源，采用单根数字信号线、按照1-Wire协议、以14.9kbps或IOOkbps速率与主机通信 。(3)工厂为每个器件光刻唯一的64位ROM序列号。(4)电平切换点滞回与滤波优化了噪声环境下的工作性能。(5)故障条件下1-Wire I/O引脚可支持28V额定直流电平。(6)宽工作范围:0° C至+70° C下1-Wire电压范围为2.8V至5.25V。
(7)l-ffire I/O引脚可承受较高的ESD冲击:HBM测试条件下典型值为8kV，提供TSOC封装和TDFN封装。图4为本实用新型实施例中的MCU及1-Wire总线网络驱动部分的连接示意图。MCU及1-Wire总线网络驱动部分主要分为5个模块来设计，分别是:单片机最小系统模块、电源接口及稳压模块、上位机通信模块、红外遥控模块、1-Wire总线网络驱动模块。接下来是对各个模块的连接方法和实现原理的详细说明:单片机最小系统模块包括:AT89S51微控制芯片、晶振电路、VCC上拉电阻电路、复位电路。需要注意的是本实用新型用P3.0作为I2C串行时钟输入与DS2482-100引脚4(SCL)相连，用P3.1作为I2C串行数据输入/输出与引脚5(SDA)相连。实现MCU与1-Wire网络驱动模块之间的通信。电源接口及稳压模块采用的是通用电源适配器HWX-K50150A (输入100-240V、50/60HZ、350mA ;输出 5VU.5A、7.5W)及稳压芯片 LM2930T-5.0。 上位机通信模块采用RS232通信接口 ΜΑΧ232芯片。MAXIM公司的ΜΑΧ232/ΜΑΧ232Α接收/发送器是MAXM公司特别为满足ΕΙΑ/ΤΕΑ2232Ε的标准而设计的，他们在EIA/TIA2232E标准串行通信接口中日益得到广泛的应用，他们具有功耗低、工作电源为单电源、外接电容仅为0.1 μ F或I μ F，采用双列直插封装形式、接收器输出为三态TTL/CMOS等优越性，为双组RS232接收发送器，工作电源为+5V，波特率高，仅需外接0.1 μ F或I μ F的电容，其价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用，ΜΑΧ232外围需要4个电解电容，是内部电源转换所需电容，其取值均为I μ F/25V宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。红外遥控模块采用WD6122通用红外遥控发射集成电路。WD6122芯片采用CMOS工艺制造，最多可外接64个按键，并有三组双重按键。封装形式为S0P-24和S0P-20。1-Wire网络驱动模块的核心就是Ι-Wire芯片DS2482-100，其连接方法和实现原理在上文已经做了详细说明，在此不再赘述。图5为本实用新型实施例中的1-Wire总线节点控制部分的连接示意图。需要注意的是1-Wire节点控制部分与MCU及1-Wire总线网络驱动部分的连接只通过一根1-Wire总线便可完成，即:DS2482-100引脚2与DS2413引脚2相连，再通过软件驱动便可实现1-Wire通信。1-Wire总线节点控制部分主要包括两个模块:继电器模块，该模块采用施耐德G2R-1A4 AC 220V继电器。内置高容量型发光二极管，具有二、四组转换触点形式，具有多种引出脚方式，透明防尘罩，外形尺寸28*21.5*35。DS2413模块，其连接方法和实现原理在上文已经做了详细说明，在此不再赘述。与现有照明控制器相比本实用新型的照明控制器的特点有:(I)将控制节点模拟信号数字化，为智能照明控制提供条件。(2)利用1-Wire总线技术节省I/O资源，系统布线简单，成本低廉。(3)利用地址识别技术实现长距离、点对点的可寻址多路照明控制。(4)设计遥控接收器，实现照明系统无线遥控。最后应说明的是 :以上是本实用新型设计原理及设施方法的详细说明。上述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
权利要求1.一种含地址识别的总线照明控制装置，其特征在于，包括上位机控制部分、MCU(微控制单元)及1-Wire总线网络驱动部分和1-Wire总线节点控制部分；所述上位机控制部分包括上位机服务器以及CAN总线，上位机服务器通过CAN总线与 MCU之间进行串口通信；所述MCU及1-Wire总线网络驱动部分包括:MCU和1-Wire总线驱动模块(DS2482-100) 连接，MCU通过红外遥控器与可选址遥控发射器无线连接，1-Wire总线驱动模块与1-Wire 总线连接；所述1-Wire节点控制部分由1-Wire总线由双通道可编程I/O芯片DS2413担任，并分别连接1-N个开关驱动模块；各开关驱动模块连接各自的受控负载及工作电源；受控负载包括照明装置、继电器及指示灯。
2.根据权利要求1所述的一种含地址识别的总线照明控制装置，其特征在于，所述N为正整数。
3.根据权利要求1所述的一种含地址识别的总线照明控制装置，其特征在于，所述 1-Wire总线驱动模块中的DS2482-100芯片是I2C总线与1-Wire总线的桥接器件，可直接与标准或快速的I2 C主机连接，完成I2 C主机和任意下游1-Wire总线从器件之间的双向总线协议转换。
4. 根据权利要求1所述的一种含地址识别的总线照明控制装置，其特征在于，所述标准I2C主机的频率最大值为IOOkHz ;快速I2C主机的频率最大值为400kHz。
专利摘要本实用新型公开了属于智能照明控制技术范围的一种含地址识别的总线式照明控制装置，包括上位机控制部分、MCU及1-Wire总线网络驱动部分和1-Wire总线节点控制部分上位机服务器通过CAN总线与MCU之间进行串口通信；MCU通过红外遥控器与可选址遥控发射器无线连接；1-Wire总线分别连接多个开关驱动模块；各开关驱动模块连接各自的受控负载及工作电源；受控负载包括照明装置、继电器及指示灯。本实用新型具有连线简单、稳定性强、节约能源的优点，有很好的应用前景。
文档编号H05B37/02GK203151822SQ20132007766
公开日2013年8月21日 申请日期2013年2月19日 优先权日2013年2月19日
发明者陈一飞, 刘柏成 申请人:中国农业大学