重庆市光学机械研究所 郭秋东 严永红 
重庆大学城市规划学院 
摘 要 文章介绍了基于现场总线LED立面照明的智能控制系统。该系统通过采用RS－485现场 
       总线技术对立面照明实现编辑和控制。文章阐述了系统各组成部分的功能和实现方案，重 
          点介绍了自定义的通信协议以及主站控制软件的构件设计。 
关键词 RS-485 串口 灯光 LED 
1 前言 
    目前，在我国各大城市地标性建筑物的夜景立面照明中，已开始大量运用节能、响应快、色彩艳丽的 
LED光源，除节能外，从夜景效果来看，可控制性强。变化丰富是LED光源与传统光源的大区别。因此， 
开发先进、可靠的控制系统成为发挥LED光源优势的关键。 
    从国内的应用状况来看，目前市场多采用两种控制方式：内控与外控，应用还主要集中在简 
单的色彩变换上。因此，采用两种控制方式的LED项目与采用传统光源的项目相比，都存在同一个 
问题：照明效果的固定性。这种现象与LED产品的长寿命、多色彩、高响应度等特点相违背，不利于发 
挥LED的优势，严重影响了LED的推广。因此，我们以为，设计开发新型的控制方式，使LED夜景 
画面可随时更新，将极大地推动LED产业的发展。 
    笔者通过对国家新材料行业生产力促进中心于2005实施的课题《半导体照明应用示范工程》 
中新型“LED灯光控制系统”的简要介绍，对该系统在设计过程中所涉及到的若干问题进行讨论，并 
从系统构架设计、通信协议设计、软件构架设计三个方面重点讨论此模式的特点及设计要点。 
2 系统构架设计 
    LED智能灯光控制系统是基于RS－485通信技术的现场总线，通过自定义通信协议在总线上外挂各类型控制器，并由主控统一管理的主从式总线型照明控制系统。它包括主控层、通信层、及LED灯具层，系统层次结构如下表所示。 
    其中，主控层负责效果编辑、分析、存储、数据打包分配，从照明效果参数的设定和修改，到数据的查询，实现对LED灯具的管理；通信层通过自制定的通信协议与LED灯具层及主控层进行通信，完成数据拆包、校验、数据再分配等多步骤的数据处理；LED灯具层由N个灯具组成，核心为Inter C51单片机组成的数据处理系统。系统拓扑结构如图1所示。 
    通过工控PC机上的控制软件，并利用主、从站的MCS-51类型的单片机作为通信控制器。三层之间通过RS－485现场总线进行物理链路连接，通过由主站线程调度实现从站轮巡时间取得划分，实现在特定时间片内主到灯具XX之间的点对点通信。 
3 通信协议设计 
    通信协议的设计是系统设计的关键性问题，其信息帧的格式设计、链路建立方式、校验方法等设计都影响到系统的实时性与可靠性。下面就地址识别、帧设计、数据包设计、以及通信链路过程四个关键方面进行讨论。 
3.1 地址识别 
    地址识别可以采用数据包过滤的软件识别或采用特定硬件地址识别。地址识别方法的确定和软件识别算法的设计，将严重影响系统的正确性和可靠性。两种方法的选用，取决于系统的实时性要求和系统采用的硬件结构。 
    本系统中所采用的MCS-51处理器专门为多机通信设计了一个专用SM2位，为此可以利用硬件识别，实现基于地址/数据帧的多机通信。 
3.2 数据帧的设计 
    本系统中按照以下格式发送。前8位为起始字节，接着为地址字节，接着为命令/数据字节，校验字节，后为停止字节。帧格式如图2所示。 
    此系统中的数据帧分为三部分：广播帧、地址帧。数据帧。广播帧是主控发给所有从控的信息帧，其实也可以归纳到地址帧内，但此时地址为广播地址，主要用于系统参数设置，时钟同步时用于检测计算延时等；地址帧的设计是用于地址识别和应答，一个主控可控制255个类别控制器，一个类别控制器又可以驱动255个LED灯具。数据帧主要是完成命令传送，参数传输等功能。 
3.3 数据包的设计 
    数据包的设计包括帧的组织方式，各种功能码设计、校验码设计以及数据设计问题。数据包格式如图3所示。功能由上下位机根据所需传输的参数类型、个数，以及系统对下位机功能设置情况而进行约定，有特殊字符代表特定的功能码如图4所示。 
    其中校验码的生成取决于系统所采用的协议，在某一具体场所可以通过现场设置来选择。本系统采用的CRC校验码，生成多项式采用CRC－16，该多项式能全部检查出16位及以下的错误，对16位以上的漏检概率为0.003％，完全满足系统的要求。 
3.4 通信链路的过程 
    由于现场环境复杂，该系统必须具有较好的抗干扰性。为了保证总线信号的传输不会出现延时、地址信号出错、指令信号跑飞等情况发生，通信采用主从应答方式和精确划分时间段的通信轮巡方式。通信链路主要过程如图5所示。主控首先发送类别控制器的地址帧作为握手信号，被寻址的类别控制器应答主控，建立链接。在判断地址符合后，主控就按照命令向从控制器传输适合的数据。 
4 软件构架设计 
    主控制软件采用模块化构架设计。通过灵活的软件构架设计、合理的功能模块设计来实现系统图形编辑的处理及管理。主站软件是在Windows2000、VC++6.0以及FLAH MX的环境下开发而成的。下面就软件构架的层次模型进行分析。 
    控制软件系统构建的层次模型分为三层：界面交互层、数据处理层、数据传输层。 
    在模型中，界面交互层为友好的主人机交互界面，它向用户提供整套系统的运行情况、控制器的运行情况、灯光效果编辑、系统参数的设定。数据处理层是交互层和传输层的桥梁，该层根据上层的设定，进行相关数据信息的处理，并将下层反馈数据进行处理后传送到交互层。传输层将通过数据协议、组织成帧、打包，通过通信物理层发送给主控制器，并继续分配数据。 
5 结束语 
    本控制系统是一种基于RS-485现场总线的LED夜景照明控制系统。一方面，该系统提升了夜景照明设计的水准、延长了灯具的使用寿命；另一方面，由于该系统的模块构件实现了一定的通用性和复用性，对中小型企业具有较好的经济适用性。