基于C8051F530A單片機的LIN總線樓宇開關節點設計

朱海洋

（廣東松山職業技術學院 廣東省韶關市 512126）

目前大部分高校實驗樓宇照明系統控制基本上都還是手動操作,由于師生疏忽忘記關燈等現象時有發生，既浪費能源又存在安全隱患，而且還會影響燈泡使用壽命[1-2]。當燈泡發生故障時，還需要人工報修，否則有可能長時間得不到修復，對日常使用造成影響。隨著光源技術、物聯網控制技術的不斷發展，樓宇照明逐步邁向節能化、智能化、信息化的全新高度，促進了智能照明技術的發展。用電設備智能控制技術是樓宇智能控制的重要組成部分，其核心是實現用電設備智能控制，方便用戶使用，促進節能減排，滿足用戶多元化的需求[3]。無線通信安裝方式簡單，便于操作，在智能家居中得到了廣泛的應用，但是其抗干擾性差、信號衰減快，組網操作復雜，無法適用于大面積、遠程通信的智能照明控制場合。LIN(Local Interconnect Network)總線始創于1998年,是專為降低汽車成本而開發的一種分布式電子總線，在不需要高帶寬和多功能應用場合，使用LIN 總線可以大大節省成本。LIN 總線采用單總線，環路中最多能支持16 個節點，總線電纜最大長度為40 米，這將使總線性能得到優化，很快由最初的汽車行業擴展到工業控制的各個領域。本文以高校實驗室燈光智能控制為研究對象，提出了基于LIN 總線的智能開關組網控制策略，詳細介紹LIN 總線協議原理、節點的硬件和軟件設計過程，對樓宇智能化控制等設計極具參考價值。

1 LIN單總線協議概述

1.1 LIN總線簡介

LIN（局域互聯網絡）是LocalInterconnect Network 的縮寫，于1998年10月在德國被首次提出，是一種基于UART/SCI（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter/SerialCommunication Interface）通用異步收發器/串行通信接口的低成本串行通信協議。LIN 總線遵循國際標準ISO9141 協議，使用12V 信號線，單總線結構，最大通信速率為20bit/s。LIN 總線采用主/從策略，包含一個LIN 主機和1～15 個LIN 從機，可應用于汽車、家電、辦公設備、智能樓宇等多種領域，能大幅度削減成本。主節點主要實現調度總線上幀的傳輸次序、監測數據、處理數據、提供同步時鐘、接收從節點發出總線喚醒命令，而從節點不能主動發送數據，需要接收主機發送的幀頭后再決定是否發送應答、接收應答或既不接收也不發送應答，如圖1 所示。

1.2 LIN總線幀結構

圖1：LIN 總線拓撲結構

圖2：LIN 總線信號幀結構

圖3：LIN 節點開關硬件組成框圖

LIN 總線是一種輪詢總線，無需仲裁機制，通信完全由主節點上的主任務控制。主節點同時包含一個主任務和一個從任務，而每個從節點僅包含一個從任務。LIN 總線以信號幀為基本傳輸單位，每幀信號包含消息頭（Message Header）和消息響應（Message Response）。消息頭包含同步間隔（用于標記幀的開始）、同步字段（供從節點同步時鐘）和識別碼（Identifier），消息響應包含數據和校驗碼，此外還有響應間隔是便于從機有時間做出消息響應，如圖2 所示。識別碼包含一個6bit ID 碼和2bit 校驗字段。ID 為特定消息地址，而非目標，從0～64 共64 個標識符，其中0～59 用于傳輸信號，60～61 用診斷，62～63 系統保留。從機接收并解碼ID 后開始響應消息，響應消息包含1～8 字節數據字段和一個8bit 校驗和。

2 LIN節點開關硬件設計

2.1 總體設計

基于LIN 單總線的樓宇燈控LIN 節點總體設計框圖如圖3 虛線部分所示，包含電源、微控制器、LIN 收發器、參數測量電路、負載開關控制等。電源電路提供LIN 總線12V 接口電壓和芯片工作電壓，微控制器為系統核心，實現LIN 總線收發通信和系統控制，參數測量實現負載電壓、電流功率等參數測量，控制開關控制燈泡通斷。1 個LIN 子網系統最多能掛接16 個LIN 節點，LIN 子網通過網關匯接到整棟大樓智能樓宇主網系統。

圖4：供電電路

圖5：LIN 總線收發控制器

2.2 AC/DC供電設計

系統需使用+12V、+5V 兩組電壓，+12V 供LIN 總線通信使用，+5V 供供系統芯片使用。使用LNK623 開關電源芯片設計電源方案，并應用PI Expert 9.0 仿真軟件快速設計電路如圖4 所示，分別輸出電壓+12V/0.1A、+5V/0.1A 兩路電壓，圖中給出了元件詳細參數。通過PI Expert 9.0 仿真軟件設計的變壓器參數如下：EF12.6 鐵氧體磁芯 PC40 材質，初線徑0.15mm 級繞285 匝，次級線徑0.29mm分別繞15 匝、12 匝，反饋繞組線徑0.17mm 繞13 匝，磁芯開氣息寬度0.1mm。

2.3 LIN收發控制器實現

基于C8051F530A 設計LIN 總線通信收發控制器如圖5 所示。C8051F530A 是Silicon 公司的CIP-51 內核單片機，內置一個LIN2.1 控制器，完全兼容MCS-51 單片機指令，且70%的指令為單周期或雙周期指令，最高指令速度為25MIPS。20 腳TSSOP 封裝，共有16 個通用I/O 口，工作電壓為1.8-5.25V，內置8Kb 可在系統編程的256BFlash 數據存儲器。

C8051F530A 內部LIN 控制器由四部分構成：LIN 訪問寄存器、LIN 數據寄存器、LIN 控制寄存器、狀態機及碼流邏輯控制電路，此外還提供了三個與CPU 操作接口寄存器。通過編程，可以控制LIN 收發器工作于主機節點（Master）或從機節點（Slave）模式，并具有自動波特率調整功能。

2.3.1 主機模式

工作在主機模式時，LIN 主機節點負責消息傳輸調度，發送包含同步中斷字段、同步字段、標識符字段的消息幀頭信號。消息發送或接收調度步驟依次為：裝載6bitID 到指定ID 寄存器、裝載數據長度到指定SIZE 寄存器、設置主機發送或接收的數據傳輸方向、設置中斷控制位啟動發送。當發送結束或發送出錯時將會自動觸發中斷。

圖6：負載參數測量電路

2.3.2 從機模式

配置為從機模式時LIN 從機節點必須等待來自主機節點發送的命令。從機節點檢測主機節點發送的信號幀的頭信息，若從機節點使能自動波特率校準功能，從機節點內部數據碼元將自動與主機數據流同步。有3 種情況會導致從機產生中斷，分別為接收到ID 識別碼、傳輸完成、傳輸出錯。

2.3.3 寄存器

與LIN 收發器相關的寄存器有CPU 接口寄存器和LIN 寄存器。CPU 接口寄存器為LIN 控制器編程接口寄存器，有LINADDR、LINDATA、LINC 三寄存器，分別實現LIN 寄存器的地址選擇、數據讀寫、模式控制等操作。CPU 需要訪問LIN 寄存器時，將寫寄存器的地址值到LINADDR 寄存器，通過讀寫LINDATA 寄存器即可實現對指定LIN 寄存器的讀寫操作，從而實現LIN 數據收發和其他控制操作。

圖7：負載控制電路

圖8：軟件設計流程圖

2.4 負載測量測量及控制

該部分電路以HLW8012 為核心實現電壓、電流測量及有功功率測量，實現負載參數實時測量及故障診斷。HLW8012 是深圳市合力為科技有限公司推出的單相電能計量芯片，設計電路如圖6 所示。圖6 中R2 為高精度鏮銅電阻采樣負載電流信號，經U1 的2、3 腳進入內部PGA 放大、ADC 轉換后測量出電流有效值所對應電壓值，并進行V/F 變換后從CF1 腳輸出頻率與電流大小成正比的脈沖信號，交流電壓信號則通過R4 降壓后經U1 的4 腳輸入內部PGA 放大、ADC 轉換后計算出電壓值，并經過V/F 變換后從CF1腳輸出頻率與電壓大小成正比的脈沖信號。CF1 引腳具體輸出為電壓或電流脈沖信號由SEL 腳選通。測量的有功功率值頻率值則從CF 引腳輸出。SEL、CF、CF1 通過光耦隔離后與C8051F530A 單片機I/O連接，實現負載參數測量及狀態監控，并通過LIN總線上傳。

圖6 中T1 為雙向可控硅組成的負載電子開關控制電路，其詳細控制原理圖如圖7 所示。圖7 中U2 為光耦，T1 為800V0.6A 雙向可控硅。該節點通過LIN 總線接收到開關燈控制信號，當微控制器輸出ON/OFF 信號為高電平時U2 導通、T1 導通，負載DS1 得電工作，當其為低電平時T1 截止負載不工作，從而通過LIN 總線控制節點開關燈。由于U2 具有過零點自動觸發功能，這將導致T1亦在過零點被觸發開通，從而使負載產生沖擊電流最小，對電網污染最小。

3 LIN節點開關軟件設計

3.1 主機節點通信設計

在LIN 總線通信系統，由主機節點提供總線同步信號和通信ID，從機節點接收到后若與自身ID 匹配成功則向主機節點發送數據和響應，完成通信。主機的操作過程可分為LIN 設備初始化、發送操作、接收中斷三個部分。LIN 設備初始化實現設置主從節點收發模式、通信波特率設置、發送數據長度設置、清除所有錯誤標記、設置收發模式。當主機節點設置為發送操作時在發送操作中將擬發送數據加載到數據寄存器，啟動發送傳輸則自動完成數據發送操作。當將主機節點設置為接收模式時，當其接收完數據后會觸發中斷，在中斷程序中讀取從機發送的數據。主機通信流程圖如圖8(a)所示。

3.2 從機節點通信設計

主機為從機設置了本機開、本機關、廣播開、廣播關、本機狀態檢測、讀取本機功率等命令，從機節點永遠工作于被動接收狀態。在接收到主機節點發送新一幀新信息時，如果檢測到有新的ID 被接收，則從機節點進入數據接收狀態，并讀取ID 并判斷是否屬于本機。從節點根據主節點發送的標識符進行接收、發送或什么也不做。需要發送的從節點發送主節點請求的字節數，并以一個校驗和字段結束傳輸。每個從機節點設置3 個ID 用以實現本機接收、本機發送、廣播接收等功能。從機節點依據接收到的ID 定義功能進入接收或發送數據流程，如圖8(b)所示。

4 結束語

文章介紹了LIN 總線協議及LIN 節點軟硬件設計，可以實現LIN 總線組網控制。在LIN 網絡中有且只能有1 個主機，最多可有15 個從機。LIN 總線網絡僅需一條通信線即可完成控制，可以節約耗材、減少布線施工，具有數據雙向傳輸能力，能實現自動控制、參數測量等功能，適合用于實驗室等集中開關控制和傳感探測等場合。基于LIN 總線網絡的智能控制開關系統可作為獨立的子網系統經網關接入CAN-BUS、Ethernet 等網絡，從而組成整棟大樓的樓宇智能化控制系統，具有廣泛的應用前景。