摘  要： EIB智能控制系統(tǒng)是一種現(xiàn)場總線制多功能樓宇設(shè)備控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了EIB智能控制系統(tǒng)的組成、原理及基于EIB的現(xiàn)代化調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：樓宇自動化系統(tǒng); 歐洲設(shè)備安裝總線;智能建筑系統(tǒng)

    智能建筑中集成了現(xiàn)代通信技術(shù)、微電子技術(shù)等尖端技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用，不僅給建筑帶來了沉重的建設(shè)成本壓力，其運(yùn)行和維護(hù)成本也日漸增高，同時智能化建筑對施工的便捷性、使用的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面不斷提出更高的要求。為適應(yīng)這樣的需求，建筑領(lǐng)域的現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)歐洲安裝總線——EIB(Europeaninstallation Bus)便應(yīng)運(yùn)而生[1]。
1 EIB技術(shù)
    EIB技術(shù)對傳統(tǒng)電氣安裝技術(shù)而言是一次突破性的革命，它具有現(xiàn)場總線技術(shù)的核心優(yōu)點(diǎn)，如全分散控制；設(shè)計、安裝、維護(hù)方便等，是當(dāng)今建筑技術(shù)領(lǐng)域非常優(yōu)秀的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。EIB是一個基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)。系統(tǒng)采用串行數(shù)據(jù)通信進(jìn)行控制、監(jiān)測和狀態(tài)報告。所有總線裝置均通過共享的串行傳輸連接(即總線)相互交換信息。數(shù)據(jù)傳輸按照總線協(xié)議所確定的規(guī)則進(jìn)行，需發(fā)送的信息先打包，形成標(biāo)準(zhǔn)傳輸格式(即報文)，然后通過總線從一個傳感裝置(命令發(fā)送者)傳送到一個或多個執(zhí)行裝置(命令接收者)。EIB的數(shù)據(jù)傳輸和總線裝置的電源(DC 24V)共用一條電纜，報文調(diào)制在直流信號上 [1]。
2 EIB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    EIB是一個開放的協(xié)議，可采用雙絞線、電力線、同軸電纜、無線等不同的通信介質(zhì),其中應(yīng)用較廣泛的是雙絞線和電力線。使用雙絞線時，每個物理段可長達(dá)1 000 m，傳輸速率為9.6 kb/s；使用電力線時,最大傳輸距離為600 m。
    EIB網(wǎng)絡(luò)是一個完全對等(peer-to-peer)的分布式網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)的每個設(shè)備具有同等的地位，不存在中央控制設(shè)備。為了讓EIB系統(tǒng)能夠適用于不同規(guī)模和復(fù)雜度的電氣安裝系統(tǒng)，特別在構(gòu)架上進(jìn)行了層次規(guī)劃。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)采用了域(Domain)、區(qū)(Area)、線(Line)的分層結(jié)構(gòu)[5]。

　每一條Line上最多可以連接和容納255個設(shè)備同時工作。通過線路耦合器(LK)，一個Area內(nèi)最多可容納15條(按照地址分配原則,理論上是可以容納15條Line，但是工程中往往是不可行的)；而通過干線耦合器(BK)，一個Domain可容納15個Area。這樣一個EIB系統(tǒng)最多(理論上)可容納255×15×15=65 025個設(shè)備，一般實際設(shè)計時為64×12×15=12 480個設(shè)備。線、區(qū)間連接通過特定的線耦合器(Line Coupler)和區(qū)耦合器(Area Coupler)實現(xiàn)[6]。
3 EIB調(diào)光系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖
    EIB調(diào)光系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，如圖2所示，電容式觸摸感應(yīng)按鍵、EIB調(diào)光驅(qū)動器、和日光燈。每個模塊中都有總線耦合器BCU，它主要實現(xiàn)EIB物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。

3.1 總線耦合器BCU
　 總線耦合器BCU包括三部分,如圖3所示。FZE1066負(fù)責(zé)將EIB總線的信號解調(diào)成串行數(shù)字信號，同時也將FPGA發(fā)出的串行數(shù)據(jù)調(diào)制到EIB總線上。發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)字信號通過SEND管腳發(fā)送到FZE1056，F(xiàn)ZE1056將數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制變成模擬信號，發(fā)送到總線上。同時FZE1056接收EIB總線上的模擬信號變成數(shù)字信號，通過QREC管腳發(fā)送出。FPGA在發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過接收QREC管腳的信號來判斷發(fā)送1 bit色數(shù)據(jù)是否成功。

　 FPGA負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)送的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成串行數(shù)據(jù)，發(fā)送給FZE1056。同時FPGA也接收來自FZE1066的串行數(shù)據(jù)，并將其處理成8位的并行數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給MCU。FPGA內(nèi)部功能模塊可以分成發(fā)送模塊、接收模塊和信號合法性檢測模塊。
　 FPGA在向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時,也接收來自總線的數(shù)據(jù)，邊發(fā)送邊檢測，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)不一致時，說明總線正忙，BUSY線將輸出低電平。此時說明系統(tǒng)申請總線失敗，退出發(fā)送，進(jìn)入等待狀態(tài)。
　 FPGA接收來自總線的數(shù)據(jù)時，ROE管腳為低電平，處于接收使能狀態(tài)，WOE管腳為高電平，發(fā)送模塊處在禁止?fàn)顟B(tài)。在接收數(shù)據(jù)時，也要進(jìn)行數(shù)據(jù)的合法性檢測。接收完1幀數(shù)據(jù)后，要進(jìn)行奇偶檢驗。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完成，并且奇偶校驗正確時，INT為低電平，通知MCU有數(shù)據(jù)接收完成，等待讀取。當(dāng)檢測到接收的數(shù)據(jù)不合法或奇偶檢驗錯誤時，ERR為低電平，通知MCU，當(dāng)前數(shù)據(jù)接收錯誤。
    MCU也包括3個功能部分:發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模塊、功能定義模塊和RS485模塊。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模塊用于向FPGA發(fā)送8 bit的數(shù)據(jù)和接收來自FPGA的8 bit數(shù)據(jù)。功能定義模塊通過串口和PC機(jī)相連。MCU處于編程模式時，PC機(jī)軟件通過串口將編譯好的系統(tǒng)功能發(fā)送給MCU。MCU將系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)存在EEPROM中，上電重啟時，當(dāng)功能數(shù)據(jù)較小時，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)拷貝到一個大的數(shù)據(jù)中，需要時，從此數(shù)組中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)功能數(shù)據(jù)較大時，只拷貝一部分?jǐn)?shù)據(jù)到大的數(shù)組中，當(dāng)需要的數(shù)據(jù)不在數(shù)組中時，再拷貝余下的部分到數(shù)組中。RS485模塊，主要是兼容RS485的設(shè)備，功能與EIB是一樣的，只是連接的總線不一樣。
3.2 電容式觸摸感應(yīng)按鍵
    觸摸按鍵的原理：在任何兩個導(dǎo)電的物體之間都存在電容，電容的大小與介質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)、極板的大小與導(dǎo)電性質(zhì)、極板周圍是否存在導(dǎo)電物質(zhì)等有關(guān)。PCB 板(或者FPC)之間兩塊露銅區(qū)域就是電容的兩個極板，相當(dāng)于一個電容器。當(dāng)人體的手指接近PCB 時，由于人體的導(dǎo)電性，會改變電容的大小。觸摸按鍵芯片檢測到電容值大幅升高后，輸出開關(guān)信號。
    本系統(tǒng)采用IQS221設(shè)計的電容式觸摸感應(yīng)按鍵，該芯片有如下技術(shù)特點(diǎn)：(1)一個IQS221芯片可以實現(xiàn)高達(dá)45個觸摸按鍵；(2)輸出支持直接電平Direct、BCD 編碼、SPI； (3)自動環(huán)境補(bǔ)償，內(nèi)嵌Regulator；(4)接近感應(yīng)、觸摸靈敏度可調(diào)整；(5)可以穿透絕緣面板(如塑料或玻璃等)感應(yīng)觸摸。
    一個按鍵控制器上可以接一個按鍵模塊，也可以接多個按鍵模塊，當(dāng)接多個按鍵模塊時，按鍵控制器與鍵盤設(shè)備之間的通訊采用主動輪詢的方式，按鍵控制器發(fā)送命令的格式隨按鍵控制器與鍵盤設(shè)備的不同聯(lián)接狀態(tài)而變化。
3.3 調(diào)光驅(qū)動電路
    如圖4所示是調(diào)光驅(qū)動電路部分，它接收來自串口的命令字。這些命令字接收后，經(jīng)過處理獲得PWM的參數(shù)，MCU將產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM信號。PWM經(jīng)過后一級電路處理后，輸出的是PWM有效值大小的直流信號。這個直流信號的0~10 V之間，它用于控制可調(diào)光整流器。調(diào)光整流器輸出交流信號，最終控制燈光的亮度。

    一個完整的調(diào)光模塊需要EIS1、EIS2和EIS6。其中EIS1是開關(guān)控制規(guī)范，由一個bit表示開關(guān)；EIS6是百分比，由一個8 bit的數(shù)據(jù)表示0%-100%，用于調(diào)光值的表示；EIS2是調(diào)光規(guī)范，包含如下3個子功能[4]。
    Position(開關(guān)位置)：此功能決定調(diào)光執(zhí)行器的開關(guān)狀態(tài)。每次切換開關(guān)狀態(tài)或通過縱向?qū)懭隤osition狀態(tài)時,調(diào)光執(zhí)行器將向總線發(fā)出一個發(fā)生請求信號，然后將狀態(tài)值以相同組地址發(fā)送。
    Control(相對調(diào)光)：如圖5所示，此功能用于遞增或遞減一個調(diào)光的步進(jìn)值(相對調(diào)光)。調(diào)光執(zhí)行器可利用其子功能開啟執(zhí)行器，但無關(guān)斷功能[2]。

    Value(絕對調(diào)光)：如圖6所示，此子功能可直接對調(diào)光執(zhí)行器設(shè)定目標(biāo)值(絕對調(diào)光)。調(diào)光執(zhí)行器可利用其子功能對執(zhí)行器進(jìn)行接通或關(guān)斷。
    EIB技術(shù)和產(chǎn)品對于中國用戶是全新的概念和系統(tǒng)，系統(tǒng)集成商和最終用戶需要通過越來越多的實際項目來熟悉該系統(tǒng)。作為開放和集成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，EIB系統(tǒng)在中國有著良好的應(yīng)用前景，將為中國的智能建筑領(lǐng)域同國際接軌起到推動作用。
    本系統(tǒng)采用FPGA和單片機(jī)結(jié)合設(shè)計EIB的BCU部分，使得系統(tǒng)具有強(qiáng)大的兼容性和開放性，可通過硬件接口同樓字自控系統(tǒng)、物業(yè)管理系統(tǒng)、安防系統(tǒng)集成，符合智能大廈的發(fā)展趨勢，靈活性更強(qiáng)。采用FPGA的并行性，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理實時性更強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)
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