目前, 在装饰照明领域中, 由于LED 具有节能、使用寿命长、成本低廉、色彩丰富等优点, 正在被逐步推广, 但是其也存在着扩展性差、图案编辑周期长、不灵活、施工维护不方便等缺陷, 这给LED亮化工程应用带来困难。为了能够有效地解决这些问题, 设计了一种新型的基于网络总线控制的LED 彩灯控制系统。该系统结合CAN 总线与RS485总线的优点, 具有通信距离远、控制可靠稳定等优点。彩灯节点通过网络连接,易于扩展, 能够充分展现LED灯光的魅力。同时, 通过PC上位机对动、静态光效进行设置, 可实时仿真实际显示效果, 提高了彩灯控制系统的控制质量, 具有很强的可编程能力及交互性, 便于工程应用。
2 CAN 总线与RS485总线概述
2. 1 RS485总线
在自动化领域, 随着分布式控制系统的发展, 迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。为此,E IA 在RS422标准的基础上, 研究出了一种支持现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术多节点、远距离和接收高灵敏度的RS485总线标准。RS485总线是工业领域广泛应用的LSO /OS 模型物理层标准协议之一, 采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线。利用RS485总线构成的网络, 其设备间的相互通信, 需经过“主” 设备中转才能实现,这个主设备通常是PC 机。由于在这种网络中只允许存在一个主设备, 其余全部是 “从 ”设备, 因而存在通信的吞吐量较低、实时性较差、从机的系统开销大且从机间通信难度大等缺点。
2. 2 CAN 总线
CAN 总线是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线, 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维, 通信速率可达1Mb / s, 通信距离可达10Km。CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码, 而代之以对通信数据块进行编码, 使网络内的节点个数在理论上不受限制。由于CAN 总线具有较强的纠错能力,支持差分收发, 因而适合高干扰环境, 并具有较远的传输距离。
3 系统总体结构
系统框图如图1所示。系统由三层结构组成,最高层为PC 上位机, 第二层为CAN /RS485 中继器, 第三层为彩灯现场控制器。PC 机与CAN /RS485中继器之间通过CAN 总线进行高速数据交换, 速度可达1Mb / s; CAN /RS485中继器将数据进行解码, 通过RS485网络分配给各个彩灯节点控制器以进行彩灯表演控制。
3. 1 上位机软件管理功能
上位机软件采用MFC 编写, 提供了交互界面以供用户使用。用户可以根据实际需要的特定效果方便的设置彩灯样式及布局, 软件能够自动计算每个控制单元的动态颜色数据, 最终生成用于表演的光效播放文件。同时, 使用该文件可以在PC 机上进行实时仿真, 便于验证设计效果, 减少了现场维护成本。
3. 2 三层网络数据传输控制
网络传输控制是系统的核心, 主要实现数据分级传输, 具有扩大通信距离, 增加所带彩灯节点数目等功能。使用CAN 总线与RS485总线分级网络传输具有传输速度快、自动解决总线竞争、实时性好、可靠性高、纠错能力强、噪声抑制能力强等优点。
3. 3 LED彩灯变色控制
LED彩灯一个节点由四组LED 组合而成, 每个组合分别有R、G、B三色LED 各四个按照混光原理排列。节点控制器采用PWM进行LED调色及灰度控制, 使得调色范围广, 灰度等级多, 控制性能良好并且成本低廉。
4 系统硬件设计
该系统硬件主要由电源供电模块、CAN /RS485中继器模块与LED 彩灯控制模块以及两级总线网络接口等部分组成。