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无线智能LED照明系统的设计

关键词:无线LED照明设计应用 短距离无线通信技术

时间:2016-02-25 16:59:29       来源:中电网

随着绿色照明与智能家居日益受到关注,短距离无线通信技术也逐渐开始应用在相关领域。针对于此,本文设计并完成了基于TI CC430 系列和UCC28810 的无线LED 照明系统,旨在提供一种新颖、高效以及智能化的无线LED 照明系统解决方案

1. 无线LED 照明系统的简介

照明系统与人民生活息息相关,但目前绝大部分照明系统都是利用各类普通开关对灯具进行打开和关闭,灯光的亮度调节也是通过普通的调光开光进行相应的调节。每次进行照明系统的操作须走到开关处才能完成,且一个开关一般只对应一路灯具,导致需要安装很多开关,因此非常有必要设计一种集调光和开关一体的无线遥控发射接收装置以提升照明系统的智能化。这将有效地克服传统有线控制的弊端,减少线路布局,并使人们可自由的在任何地方都可对照明系统进行相应的操作。基于这种需求,本文设计了无线LED 照明系统的解决方案,具有非常丰富的功能。具体来说有以下几种功能:

1、集中控制和多点操作的功能;

2、软启动功能:开灯时,灯光由暗渐亮,关灯时,灯光由亮渐暗。避免大电流冲击,保护照明系统,延长使用寿命;

3、灯光明暗调节功能:调节不同灯光的亮度,操作方便;

4、全开全关和记忆功能;

5、定时控制功能;

6、亮度自适应调节;

2. 系统结构与总体方案设计

本文设计采用了TI 的CC430 无线通信平台,该平台融合了基于16Bit 的超低功耗MSP430 内核 以及业界领先的不足1GHz 的CC1101 RF 收发器之上。完美的结合实现了独特的低功耗/高性能组合与前所未有的高集成度,带来更为先进的高选择性与高阻塞性能,确保即使在噪声环境下也能实现可靠通信。能够充分利用其高达25MHz 的峰值执行性能,且功耗仅为160uA/MHz。针对基于CC430 的设备,TI 提供了种类丰富的MSP430 MCU 外设集,如12-Bit 的ADC、LCD驱动以及比较器等高性能数字与模拟外设。此外,还具有AES-128 硬件安全模块确保通信的安全性。

无线LED 照明系统的整体框图如图1 所示。其中控制端部分设计为采用双节AA 电池供电的

手持式遥控模块,其基于CC430F6137,带有段式LCD 驱动,丰富的I/O 口资源,以及能够构建触摸功能的比较器;而接收端则基于CC430F5137,其带有12-Bit 的 ADC 以及多通道的PWM 模块。通过在控制端CC430F6137 的比较器B 上构建触摸滑条与按键功能,对滑条的触摸位置进行检测并转换为PWM的占空比,通过双边的RF 模块发送/接收相应的调制参数,再由接收端CC430F5137 产生调节LED 灯亮度的PWM信号,对驱动模块UCC28810 进行调制,如图2所示。

3. 硬件电路设计

3.1 RF 模块硬件电路设计

CC430 的射频模块使用的是业界领先的不足1GHz 的CC1101 RF 收发器,该部分是基于RF频率的直接合成,其射频合成器包括一个完整芯片的LC-VCO 和一个对接模式的混频器进行频率合成。该射频的接收单元将RF 信号通过低噪声放大器(LNA)进行前置放大,再对其中频信号进行滤波、数据解调以及同步包等工作。CC430 支持的频率范围为:300MHz~348MHz;389MHz~464MHz;779MHz~928MHz;在本设计中使用的是433MHz 的载波频率,鉴于应用场合其要求的传输速率较低,因此选用的是3.2Kbps;并通过PATABLE 对输出功率进行调整,满足不同的距离需求。

RF 模块的硬件电路在整个系统设计中尤为重要,如图3 所示。图中的C5, C9, L3 以及L8形成一个平衡转换器,用以将CC430 上的差分端口RF_N/RF_P 平衡电路转换成单端不平衡的RF 信号,方便将振子流过电缆屏蔽层外的高频电流截断。图中的L5,C10 和L4 构成了带通滤波器;L2,L6 和C8 构成低通滤波器。在本设计中RF 的天线采用的是鞭状天线或者陶瓷天线。

3.2 触摸滑条的硬件电路构建

在本设计中,控制端部分为手持式遥控模块。其设计的人机交互界面主要是LCD 显示以及触摸按键。其中将触摸滑条的功能用于调节LED 的亮度,是系统中较为形象与新颖的设计之一。其充分利用了MSP430 的自身资源特性,在CC430F6137集成的比较器COM_B 以及PCBLayout 的传感电容上,构建了基于弛张振荡方式(RO)的触摸按键功能,由于在COMP_B 中自带有REF 参考电压配置网络,因此无需像COMP_A 那样使用外部硬件方式实现参考电压网络。其原理如图4 所示,主要通过TimerA 测量RC 振荡电路在固定时间内的振荡次数,当人手触摸在传感电容上,会改变其自身电容值,使得对应的振荡次数发生明显变化,以此来判断触摸/非触摸的状态。构建一个4/5 级触摸滑条与2 个触摸按键。

3.3 传感器硬件电路设计

光敏传感器的使用使得LED 照明系统能够实现亮度自调节功能,硬件电路如图5 所示。光敏传感器使用的是光敏电阻,因其有着良好的光电特性以及价格优势,非常适合于光强检测场合的使用。系统中主要通过对Vo 电压的检测,反映光强的变化,进而对PWM进行相应的调制。

4. 系统软件设计

4.1 RF 模块实现

在整个系统中,RF 模块是通信传输的桥梁,双边都须进行协议相同的RF 软件模块设计。其发送模式和接收模式的数据包主要通过FIFO 来进行处理,一帧的格式如图6 所示:

前导码

同步字

可选长度位

可选地址位

数据段

可选CRC 字

在设计时采用固定帧长度模式。通过对寄存器PKTLEN(=

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];

在发送时,在TX FIFO 中的数据段包括数据长度,主机地址,从机地址,控制模式,控制PWM参数,数据段CRC 校验。其中,主机地址标识了控制端的地址;从机地址包括两种地址:广播地址与独立地址,主要是用于集中控制与多点操作。控制模式提供了可选的模式选择,控制PWM参数用于LED 亮度调节。

在接收时,RF 的解调器和数据包处理器将寻找一个有效的前导和同步字。当找到后,解调器将获得前导位和字同步,然后对接收的地址信息进行比照,首先判断数据包是否来自控制端,然后响应含有广播地址或者本机地址信息的数据。其发射/接收的流程图如图7。

在对射频寄存器的配置过程中,主要通过SmartRFstudio 来进行设置,输出RFRegSettng.c 作为射频的配置文件。

4.2 触摸滑条的软件设计

触摸滑条是由多个触摸按键组合而成,通过为每个触摸按键分配多个位置,可以实现简单的触摸滑条功能。在设计通过4~5 个按键构成一个触摸滑条,如在每个触摸按键上创建8/16 个位置,则可提供32/64 个单独步阶检测。其识别的步阶数是对电容变化量的反映,电容变化幅度越大,测量的Delta 值越大。通过设置一个系统能够达到最大响应的上限值,用该最大的Delta 值除以每个按键所需的步阶数,再由每个按键经过加权计算后将产生1 至32/64 步阶的线性结果,如图。

4.2 控制端/接收端软件设计

控制端/接收端软件的流程图如图9 所示,其中虚线上方为控制端CC430F6137 的软件设计,在Stand By 模式时保持MSP430 的低功耗模式,以满足控制端遥控器对能耗的要求。通过对模式选择的操作实现集中控制和多点操作,而触摸滑条的处理通过将Position 转换为PWM由RF发送至接收端CC430F5137。接收端则处理来自控制端的数据包,对LED 照明进行亮度调节,或自动调节。本设计的软件采用C 语言编写,整个程序包括的子模块有:模式选择模块,触摸滑条检测模块,数据发送/接收模块,PWM转换模块,传感器检测模块等几个部分。

5. 总结

本文主要描述了以CC430 为控制核心的无线LED 照明系统的设计。整个系统经过软/硬件设计与调试使得功能基本得到实现,系统实际硬件电路如图10 所示。实测过程中能够有效地进行集中控制和多点单独控制,定时控制,自动调光等预设功能,满足当前市场对此类解决方案的功能要求。

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