一種無線LED照明智能控制系統設計

陳萬里+王麗霞+柴遠波

摘 要： 隨著LED照明的普及，綠色照明與智能家居日益受到廣泛關注。結合短距離無線通信技術，提出并設計完成了基于TI CC430系列和UCC28810的無線LED照明智能控制系統，實驗證明該無線LED照明智能控制系統具有開關記憶、明暗調節、軟啟動和定時控制等優點。

關鍵詞： LED； 智能照明控制系統； TI CC430； UCC28810

中圖分類號： TN86?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0055?04

0 引 言

智能化照明是隨計算機、傳感器、通訊、網絡與自動控制技術而發展起來的綜合技術，正以驚人的速度向各個專業領域滲透。智能化是任何電子產品必然的發展方向之一。LED綠色智能照明控制技術的發展可以使照明更加省電、節能、使用更便捷，在需要的時間給需要的地方以最舒適和高效的照明，提升照明環境質量。智能化照明更是使照明進一步走向綠色和可持續發展的重要方向。基于這種需求，本文主要結合短距離無線通信技術，提出并設計完成了基于TI CC430系列和UCC28810的無線LED照明智能控制系統。實驗證明該無線LED照明智能控制系統具有開關記憶、明暗調節、軟啟動和定時控制等優點；具備集中控制、多點操作、軟啟動、亮度調節、定時控制、全開關記憶等功能。

1 控制系統方案

本文設計采用了TI的CC430[1]無線通信平臺，該平臺融合了基于16 b的超低功耗MSP430內核以及業界領先的不足1 GHz的CC1101 RF收發器之上。完美地結合實現了獨特的低功耗/高性能組合與前所未有的高集成度，帶來更為先進的高選擇性與高阻塞性能，確保即使在噪聲環境下也能實現可靠通信。能夠充分利用其高達25 MHz的峰值執行性能，且功耗僅為160 μA/MHz。針對基于CC430的設備，TI提供了種類豐富的MSP430 MCU外設集，如12 b的ADC、LCD驅動以及比較器等高性能數字與模擬外設。此外，還具有AES?128硬件安全模塊確保通信的安全性[1?2]。

無線LED照明系統的整體框圖如圖1所示。其中控制端部分設計為采用雙節AA電池供電的手持式遙控模塊，其基于CC430F6137，帶有段式LCD驅動，豐富的I/O口資源，以及能夠構建觸摸功能的比較器；而接收端則基于CC430F5137，其帶有12 b的 ADC以及多通道的PWM模塊[3]。

通過在控制端CC430F6137的比較器B上構建觸摸滑條與按鍵功能，對滑條的觸摸位置進行檢測并轉換為PWM的占空比，通過雙邊的RF模塊發送/接收相應的調制參數，再由接收端CC430F5137產生調節LED燈亮度的PWM信號，對驅動模塊UCC28810進行調制[4]，如圖2所示。

圖1 無線LED照明控制系統的原理框圖

圖2 觸摸滑條與PWM示意圖

2 控制系統硬件電路

2.1 RF模塊硬件電路設計

CC430的射頻模塊使用的是業界領先的不足1 GHz的CC1101 RF收發器[5]，該部分是基于RF頻率的直接合成，其射頻合成器包括一個完整芯片的LC?VCO和一個對接模式的混頻器進行頻率合成。該射頻的接收單元將RF信號通過低噪聲放大器（LNA）進行前置放大，再對其中頻信號進行濾波、數據解調以及同步包等工作。CC430支持的頻率范圍為：300～348 MHz，389～464 MHz，779～928 MHz；在本設計中使用的是433 MHz的載波頻率，鑒于應用場合其要求的傳輸速率較低，因此選用的是3.2 Kb/s；并通過Patable對輸出功率進行調整，滿足不同的距離需求。

RF模塊的硬件電路在整個系統設計中尤為重要，如圖3所示。圖中的C5，C9，L3以及L8形成一個平衡轉換器，用以將CC430上的差分端口RF_N/RF_P平衡電路轉換成單端不平衡的RF信號，方便將振子流過電纜屏蔽層外的高頻電流截斷。圖中的L5，C10和L4構成了帶通濾波器；L2，L6和C8構成低通濾波器[6]。在本設計中RF的天線采用的是鞭狀天線或者陶瓷天線。

2.2 觸摸硬件電路設計

在本設計中，控制端部分為手持式遙控模塊，其設計的人機交互界面主要是LCD顯示以及觸摸按鍵。其中將觸摸滑條的功能用于調節LED的亮度，是系統中較為形象與新穎的設計之一。其充分利用了MSP430的自身資源特性，在CC430F6137集成的比較器COM_B以及PCB Layout的傳感電容上，構建了基于弛張振蕩方式（RO）的觸摸按鍵功能，由于在COMP_B中自帶有REF參考電壓配置網絡，因此無需像COMP_A那樣使用外部硬件方式實現參考電壓網絡[7]。其原理為主要通過TimerA測量RC振蕩電路在固定時間內的振蕩次數，當人手觸摸在傳感電容上，會改變其自身電容值，使得對應的振蕩次數發生明顯變化，以此來判斷觸摸/非觸摸的狀態，構建一個[45]級觸摸滑條與2個觸摸按鍵。

2.3 傳感電路設計

光敏傳感器的使用使得LED照明系統能夠實現亮度自調節功能，硬件電路如圖4所示。光敏傳感器使用的是光敏電阻，因其有著良好的光電特性以及價格優勢，非常適合于光強檢測場合的使用[8]。系統中主要通過對Vo電壓的檢測，反映光強的變化，進而對PWM進行相應的調制。

圖4 光敏傳感器電路

3 控制系統軟件設計

3.1 RF模塊實現

在整個系統中，RF模塊是通信傳輸的橋梁，雙邊都須進行協議相同的RF軟件模塊設計。其發送模式和接收模式的數據包主要通過FIFO[9]來進行處理，1幀的格式如圖5所示。其中幀數據中包括前導碼、同步字、可選長度位、可選地址位、數據段和可選CRC字。

圖5 數據幀格式

在設計時采用固定幀長度模式，通過對寄存器PKTLEN（≤FIFO size）設定：

TxBuffer[0] = PACKET_LEN；

TxBuffer[1] = host_address；

TxBuffer[2] = slave_address；

TxBuffer[3] = mode；

TxBuffer[4] = pwm_data；

TxBuffer[5] = TxBuffer[0]+TxBuffer[1]+TxBuffer[2]+

TxBuffer[3]+TxBuffer[4]；

在發送時，TX FIFO中的數據段包括數據長度、主機地址、從機地址、控制模式、控制PWM參數、數據段CRC校驗[10]。其中，主機地址標識了控制端的地址；從機地址包括2種地址：廣播地址與獨立地址，主要是用于集中控制與多點操作。控制模式提供了可選的模式選擇，控制PWM參數用于LED亮度調節[11]。在接收時，RF的解調器和數據包處理器將尋找一個有效的前導和同步字。當找到后，解調器將獲得前導位和字同步，然后對接收的地址信息進行比照，首先判斷數據包是否來自控制端，然后響應含有廣播地址或者本機地址信息的數據，其發射/接收的流程圖如圖6所示。在對射頻寄存器的配置過程中，主要通過SmartRFstudio進行設置，輸出RFRegSettng.c作為射頻的配置文件。

圖6 RF模塊中TX/RX的流程圖

3.2 觸摸滑條的軟件設計

觸摸滑條是由多個觸摸按鍵組合而成，通過為每個觸摸按鍵分配多個位置，可以實現簡單的觸摸滑條功能。在設計通過4～5個按鍵構成一個觸摸滑條，如在每個觸摸按鍵上創建[816]個位置，則可提供[3264]個單獨步階檢測。其識別的步階數是對電容變化量的反映，電容變化幅度越大，測量的Δ值越大。通過設置一個系統能夠達到最大響應的上限值，用該最大的Δ值除以每個按鍵所需的步階數，再由每個按鍵經過加權計算后將產生1至[3264]步階的線性結果，如圖7所示。

圖7 確定滑條位置的方法

3.3 收/發控制端軟件設計

控制端/接收端軟件的流程圖如圖8所示。

圖8 控制軟件流程圖

其中虛線上方為控制端CC430F6137的軟件設計，在Stand By模式時保持MSP430的低功耗模式，以滿足控制端遙控器對能耗的要求。通過對模式選擇的操作實現集中控制和多點操作，而觸摸滑條的處理通過將Position轉換為PWM由RF發送至接收端CC430F5137[12]。接收端則處理來自控制端的數據包，對LED照明進行亮度調節，或自動調節。本設計的軟件采用C語言編寫，整個程序包括的子模塊有：模式選擇模塊、觸摸滑條檢測模塊、數據發送/接收模塊、PWM轉換模塊、傳感器檢測模塊等幾個部分[13]。系統實際硬件如圖9所示。

圖9 系統整體硬件電路

4 結 語

本文研究并實現了以CC430為控制核心的無線LED照明系統的設計。整個系統經過軟/硬件設計與調試使得功能得到實現。實測過程中能夠有效地進行集中控制和多點單獨控制，定時控制，自動調光等預設功能，滿足當前市場對此類解決方案的功能要求。

參考文獻

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