基于POWERLINK的智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

李 敏，盧勝利，程曉亮

（1. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心；3.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，天津 300222）

基于POWERLINK的智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

李 敏1，盧勝利2，程曉亮3

（1. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心；3.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，天津 300222）

針對傳統(tǒng)的燈光照明控制系統(tǒng)存在的通信距離短、傳輸速度慢、誤碼率高等問題，提出了一種基于POWERLINK總線的智能照明控制系統(tǒng)。介紹了POWERLINK總線的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了智能照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架，各個(gè)模塊電路硬件以及軟件設(shè)計(jì)流程。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了POWERLINK總線的通信功能，達(dá)到了調(diào)光控制目的。具有廣闊的應(yīng)用前景。

POWERLINK總線；智能照明控制系統(tǒng)；FPGA

隨著科技的發(fā)展和人們物質(zhì)、精神生活水平的提高，樓宇智能照明的需求量大大增加。傳統(tǒng)的控制方法電力電纜鋪設(shè)過多，增加了投資成本，而且面臨著通信距離短、傳輸速度慢，誤碼率高等問題。現(xiàn)場總線的引入可以大大緩解以上問題。現(xiàn)場總線技術(shù)是2O世紀(jì)8O年代后期發(fā)展起來的一種先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信技術(shù)應(yīng)用到了工業(yè)控制領(lǐng)域，如過程自動化、制造加工自動化、樓宇自動化、家庭自動化等等。POWERLINK現(xiàn)場總線是一個(gè)完整的從管理層一直到現(xiàn)場I/O層的，確定性傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的透明解決方案，并已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)時(shí)性和可靠性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，具有廣闊的市場推廣前景[1]。將POWERLINK總線引入智能照明網(wǎng)絡(luò)可以顯著改善目前照明控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率慢，可靠性差等問題，從而達(dá)到控制靈活、節(jié)約能源的目的。同時(shí)便于整體的管理與調(diào)度。本文在介紹POWERLINK總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套智能照明控制系統(tǒng)，提出了該系統(tǒng)的整體構(gòu)架，并對硬件和軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)的闡述。

1 POWERLINK總線技術(shù)

1.1 POWERLINK總線標(biāo)準(zhǔn)

POWERLINK總線是一種實(shí)時(shí)性和可靠性很強(qiáng)的現(xiàn)場總線。它具有抖動低、同步性高、循環(huán)周期短、便于模塊化設(shè)計(jì)和分布式控制、支持交叉通信以及網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[2]；同時(shí)，它作為一個(gè)國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)[3]，還具有開放性和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)。POWERLINK總線的物理層采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，遵循IEEE802.3快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。POWERLINK總線標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)鏈路層做了修改，同時(shí)定義了以工業(yè)上廣泛使用的CANopen協(xié)議為基礎(chǔ)的應(yīng)用層，使得不同的設(shè)備與應(yīng)用程序之間有統(tǒng)一的訪問方式。POWERLINK總線在智能照明控制系統(tǒng)中的推廣成本較低且便于操作。

1.2 POWERLINK總線技術(shù)

POWERLINK總線的數(shù)據(jù)鏈路層以標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)CSMA/CD技術(shù)（IEEE802.3）為基礎(chǔ)，引入SCNM（Slot Communication Network Management）機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊的確定性[4]。該機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)中定義了一個(gè)主站（MN）負(fù)責(zé)管理總線使用權(quán)，其他的設(shè)備做從站（CN）僅在主站分配的通信時(shí)隙內(nèi)發(fā)送報(bào)文。SCNM機(jī)制將通信的信息分為一個(gè)又一個(gè)等時(shí)長的循環(huán)周期，在每個(gè)循環(huán)周期中等時(shí)同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)使用專用時(shí)隙，這保證了在同一時(shí)間總是僅有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)媒體進(jìn)行訪問，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。

2 基于POWERLINK總線的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于 POWERLINK總線和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)以及CANopen都兼容，因此可以使用POWERLINK技術(shù)統(tǒng)一整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)互操作、互聯(lián)通。本設(shè)計(jì)由PC機(jī)做主站即上位機(jī)，采用FPGA為主芯片做從站共同實(shí)現(xiàn)POWERLINK協(xié)議，實(shí)現(xiàn)過程管理級的控制。同時(shí)，PC機(jī)做主站可以采用Wireshark軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分包的抓取與分析，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)可以盡快發(fā)現(xiàn)問題以便及時(shí)解決。基于POWERLINK的智能照明控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。該設(shè)計(jì)使用了環(huán)形冗余，當(dāng)某一根線纜出問題，這個(gè)系統(tǒng)依然可以繼續(xù)工作，大大提高了通信的可靠性。對于環(huán)形冗余，只要在POWERLINK主站處添加一個(gè)冗余模塊即可。主站可以控制各個(gè)從站的智能節(jié)點(diǎn)，各個(gè)從站的工作情況也發(fā)送到主站，供主站查詢。各從站也可以控制本節(jié)點(diǎn)上的照明情況。

圖1 基于POWERLINK的智能照明控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 智能照明控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由于主站采用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，硬件的設(shè)計(jì)主要在從站的節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的從站采用基于FPGA的從站實(shí)現(xiàn)方法。包括FPGA控制部分，POWERLINK通信部分，光敏電阻傳感器模塊以及PWM調(diào)光模塊。從站硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 從節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)采用Altera公司的CycloneIV系列FPGA芯片EP4CE22F1717為主芯片，該芯片邏輯單元數(shù)為114480LEs，用戶I/O為529個(gè)，擁有十分豐富的資源，且具有高性能的并行處理能力。因此在該設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA芯片既可以實(shí)現(xiàn)POWERLINK的通信又可以起到控制的作用。光敏電阻傳感器模塊將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過GPIO口輸入FPGA芯片，再通過POWERLINK通信傳送給主站PC機(jī)，PC機(jī)通過根據(jù)傳感器所提供的外界光照度，判斷此時(shí)的燈光亮度范圍，再向從站發(fā)送控制數(shù)據(jù)，通過GPIO口引出轉(zhuǎn)換后的PWM波形驅(qū)動LED燈來調(diào)節(jié)燈光亮度。

SRAM芯片用來存放POWERLINK協(xié)議棧，F(xiàn)LASH配置芯片用來存儲FPGA的配置信息。50MHz晶振用來提供外部時(shí)鐘源信號[5]。FPGA芯片的硬件IP設(shè)計(jì)主要通過Quartus II軟件進(jìn)行，主要包括物理層設(shè)計(jì)和軟核處理器定制。物理層設(shè)計(jì)用VHDL語言實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以太網(wǎng)HUB。軟核處理器定制利用SOPC Builder工具，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，通過添加不同的模塊來完成所需IP核的集成[6]。POWERLINK模塊設(shè)置為openMAC模式。在IP核中再加入PWM內(nèi)核，用于調(diào)節(jié)LED燈光亮度。

光敏電阻傳感器模塊對環(huán)境光強(qiáng)十分敏感，可以用來檢測周圍環(huán)境的光強(qiáng)和亮度。硬件電路如圖3所示，將數(shù)字量輸出OUT與FPGA的GPIO口直接相連，通過檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的光強(qiáng)改變。

圖3 光敏電阻傳感器模塊

PWM（脈沖寬度調(diào)制）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，通過以數(shù)字方式控制模擬電路，廣泛應(yīng)用在LED照明領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)中的從站節(jié)點(diǎn)通過調(diào)節(jié)PWM占空比，則可以實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)中不同場景的控制，如會議、宴會、休閑等不同場所。PWM調(diào)光模塊的硬件電路如圖4所示。AMC7150是一種僅需外加5個(gè)外部元件的PWM功率LED驅(qū)動集成電路。5個(gè)外部元件分別為Rsense、L4、C22、D8和C23。當(dāng)使能信號XS9為高電平（2～5.5 V）時(shí)，電路關(guān)斷；當(dāng)使能信號XS9為低電平（≤0.4 V）時(shí)，電路導(dǎo)通。PWM調(diào)光波形如圖5所示。

圖4 PWM調(diào)光模塊

圖5 PWM調(diào)光波形

4 智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主站PC機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

首先利用openCONFIGURATOR進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，該軟件可以方便快速地配置各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和映射參數(shù)。具體過程如下：

將主站和各個(gè)從站的XDD文件加載入open－CONFIGURATOR軟件，然后對通信周期，主站接收從站回復(fù)數(shù)據(jù)楨的超時(shí)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)號進(jìn)行設(shè)置，對各從站的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和映射參數(shù)進(jìn)行配置，使所有設(shè)備組成一個(gè)所需的通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置情況，主站-從站之間可以進(jìn)行通信，各從站之間也可實(shí)現(xiàn)交叉通信。圖6為1號從站映射參數(shù)配置情況。

圖6 從站映射參數(shù)配置（1號從站）

openCONFIGURATOR軟件輸出文件主要是后綴. cdc的網(wǎng)絡(luò)配置文件。該文件是二進(jìn)制文件，保存著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置信息。主站可根據(jù)該文件配置自身以及各從站的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和映射參數(shù)。

主站在PC機(jī)上運(yùn)行，操作系統(tǒng)要求Windows XP或者Windows 7，并且安裝Wireshark或者WinPcap軟件。POWERLINK在Windows上運(yùn)行時(shí)需要Win－Pcap這個(gè)庫作為網(wǎng)卡的驅(qū)動程序，安裝Wireshark時(shí)，會包含WinPcap庫。開發(fā)環(huán)境使用VS2008。POWERLINK作為開源代碼，不需要修改任何底層協(xié)議通信細(xì)節(jié)，只要對應(yīng)用層進(jìn)行修改即可。將openCONFIGURATOR軟件生成的網(wǎng)絡(luò)配置文件加載入主站工程后開始修改主程序代碼。主程序流程圖如圖7。主站的ID設(shè)置為240。在同步回調(diào)函數(shù)AppCbSync（）中，主站接收并處理來自從站的信息，再將相應(yīng)的指示命令發(fā)送給從站來調(diào)節(jié)LED光強(qiáng)度[7]。

圖7 上位機(jī)程序流程圖

4.2 從站節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

基于FPGA從站的POWERLINK協(xié)議棧的設(shè)計(jì)、編譯和實(shí)現(xiàn)是在Nios II軟件開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行的。協(xié)議棧的內(nèi)容包括應(yīng)用層、通信抽象層、對象字典OD和服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO、過程數(shù)據(jù)對象PDO以及NMT狀態(tài)機(jī)等[8]。設(shè)計(jì)中同樣著重對應(yīng)用層內(nèi)容做了修改，其他內(nèi)容保持不變。協(xié)議棧主程序流程如圖8所示。從站ID設(shè)置取值范圍為1-239。將從站周期性收發(fā)主站的數(shù)據(jù)寫在同步回調(diào)函數(shù)AppCbSync（）中，來實(shí)現(xiàn)從站對主站的信息反饋。

圖8 從站程序流程圖

5 結(jié)束語

本文采用PC機(jī)做主站，低廉的FPGA及其外圍電路做從站，構(gòu)建了基于POWERLINK總線的智能照明控制系統(tǒng)的控制與通信部件。該設(shè)計(jì)具有自動調(diào)光的作用，同時(shí)大大提高了通信的實(shí)時(shí)性與可靠性。該系統(tǒng)經(jīng)擴(kuò)展后有廣闊的應(yīng)用前景，不僅是智能樓宇、辦公大樓、商業(yè)中心等公共場所理想的智能照明控制系統(tǒng)，且在節(jié)能方面也有著重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考資料：

［1］ 上官小晶.真正實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)Ethernet Powerlink [J]．伺服控制，2008，2（7）：60-63.

［2］ Cena G，Seno L，Valenzano A，et al.Performance analysis of Ethernet POWERLINK networks for distributed control and automation systems[J].Computer Standards&Interfaces，2009，31（3）：566-572.

［3］ GB/T 27960，以太網(wǎng)POWERLINK通信行規(guī)規(guī)范[S].

［4］ EPSG.Ethernet POWERLINK Communication Profile Specification[EB/OL].（2008-5-20）[2014-9-15].http：//www.ethernet-POWERLINK.org.

［5］ 周立功．SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2006.73-133.

［6］ 章智慧，白瑞林，沈憲明．面向SOPC Builder的用戶自定義IP核開發(fā)[J]．自動化儀表，2006，27（9）：23-26.

［7］ EPSG.Ethernet POWERLINK Protocol Stack Software Manual[EB/OL].（2008-6-18）[2014-9-15].http：//www.systecelectronic.com.

［8］ EPSG，DS301 Ethernet Powerlink communication profile specification version 2.0[S].

Design and realization of intelligent lighting control system based on POWERLINK Industrial Ethernet

LI Min1，LU Sheng-li2，CHENG Xiao-liang3
（1.School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education；2.Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education；3.School of Automation and Electrical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222）

An intelligent lighting control system based on POWERLINK bus is proposed，because of short communication distance，slow transmission speed and high error rate existing in the traditional lighting control system.This paper introduces the characteristics of the POWERLINK bus and elaborates the overall design framework，each module circuit hardware and software design process.This design having broad application prospects implements the communication of POWERLINK and the purpose of dimming control.

POWERLINK；intelligent lighting control system；FPGA

TP23

A

2095－0926（2014）04－0001－04

2014-00-00

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（YC13-11）.

李 敏（1988—），女，碩士研究生，從事微機(jī)測控技術(shù)，現(xiàn)場總線方面的研究；盧勝利（1956—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榍度胧綔y控系統(tǒng).