O 引言
目前大空間的廣場或教室等場所的照明系統(tǒng)絕大部分都采用完全照明的方式，即使只有某個部分區(qū)域有人活動也會開放全部的照明設備，從而造成了巨大的電能浪費。因此設計了基于ARM9和電力線載波通信技術(shù)相結(jié)合的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測大空間中各區(qū)域人員活動情況，并根據(jù)控制指令以及事先設好的算法控制相應區(qū)域的照明設備點亮及照明時間，并能夠?qū)刂菩畔ⅰ⒄彰髑闆r進行記錄，便于管理與查詢。這樣在人員較少的時候，大空間中只有局部區(qū)域照明設備點亮，從而實現(xiàn)大幅度節(jié)約電能。
1 硬件組成及原理
為了更好地實現(xiàn)控制與節(jié)能，將廣場照明系統(tǒng)分為若干個區(qū)域，每個區(qū)域都由一個單片機從機系統(tǒng)負責單獨控制。廣場分區(qū)照明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)分為主機系統(tǒng)和從機系統(tǒng)兩部分。主機以S3C2410為核心，負責接收工作人員指令和從機傳過來的信息并實施全局控制，還支持信息存儲和查詢等；從機以單片機為核心，負責某特定區(qū)域檢測人員情況，并與主機以電力線載波的方式進行通信，還負責該區(qū)域照明控制。下面就重要部分進行分別介紹。
1．1 主控制器
本系統(tǒng)的主控制器采用三星公司的S3C2410處理器，與電源電路、時鐘電路、存儲器系統(tǒng)及復位電路共同組成微控制系統(tǒng)。復位電路選用了系統(tǒng)監(jiān)視復位芯片IMP811S，可提供高效的電源監(jiān)視功能，確保系統(tǒng)工作正常。
S3C2410是一款基于ARM920內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式處理器微處理器，運行頻率可達203 MHz，在此基礎上擴展了一系列完整的通用外圍接口單元，能夠提供高性價比的嵌入式解決方案。S3C2410系統(tǒng)外圍接口單元包括支持55個中斷源的中斷控制器，4路DMA控制器，117個通用I／O口，3個可編程波特率的UART，LCD控制器，8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，SD卡接口，1個多主機I2C總線控制器，2個SPI接口等。
1．2 電力線通信接口
主機與多個從機之間的通信是基于電力線載波方式的，因此必須在一個變壓器供電范圍內(nèi)。電力線載波通信的實現(xiàn)選用了高性能的通信芯片M1200E，MI200E是一款針對低壓電力線環(huán)境優(yōu)化設計的高性能通訊芯片，內(nèi)部集成了諸如多階開關(guān)電容濾波器，高效數(shù)字放大器，CRC-16硬件校驗等多種電路，Mi200E數(shù)據(jù)速率為200～1 600 b／s。同時，通過系統(tǒng)設計，它可以實現(xiàn)200～1 600 b／s的自適應速率。MI200E的頻率為57．6 kHz，76．8 kHz和115．2 kHz，該頻段符合歐洲標準。
圖2所示為S3C2410與MI200E芯片的硬件接線圖，圖中未給出MI200E的電源連接，實際使用需將其3個電源均接+5 V。S3C2410的SPI接口與MI200E的SPI引腳相連，并用GPF口控制其復位和片選，還將Q1和Q2的輸出接S3C2410的EINTO中斷引腳，這樣發(fā)送完畢就會產(chǎn)生中斷，以方便編程。圖2中各參數(shù)是在76．8 kHz的載波頻率情況下給出的，若載波頻率變化，則參數(shù)應做適當調(diào)整。
從機側(cè)MI200E與單片機的連接與圖2類似，只需將MI200E的SPI口線、復位及片選與單片機普通I／O口相連，用模擬SPI方式進行通信即可。
1．3 人機接口與信息存儲
為了便于自診斷與參數(shù)設置，系統(tǒng)加入了矩陣鍵盤和LCD顯示器。S3C2410內(nèi)部含有一個LCD驅(qū)動控制器，能自動產(chǎn)生LCD驅(qū)動控制所需的控制信號，因此能與TFT型的彩色LCD屏直接連接，不需要外加控制器。本系統(tǒng)采用了南京普易電器公司生產(chǎn)的8寸的PY080TFT01型液晶屏。鍵盤通過ZLG7290芯片以I2C總線接口形式與S3C2410相連。
為了能夠?qū)⒖刂菩畔⒓罢彰鞴芾硇畔⑦M行存儲與查詢，系統(tǒng)加入了SD卡存儲裝置。由于S3C2410芯片本身帶有SD卡接口，因此只需將SD卡座與S3C2410的SD卡接口直接相連即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。
1．4 紅外檢測電路
從機要不斷檢測所轄區(qū)域的人員情況，因此設計了基于熱釋電紅外傳感器的檢測電路，如圖3所示。
該電路中選用了BISS0001集成芯片對熱釋電紅外傳感器的微弱信號進行放大處理。BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外傳感器。BISS0001的輸出引腳經(jīng)三極管反向后與單片機的中斷引腳相連，這樣在檢測區(qū)域內(nèi)有人員經(jīng)過就會產(chǎn)生中斷。
2 主機系統(tǒng)軟件設計
在整個廣場照明控制系統(tǒng)中，S3C2410作為主機核心完成接收控制信息、接收從機信息、參數(shù)輸入與顯示、遠傳控制指令等功能。整個主機系統(tǒng)軟件部分包括主程序、人機接口程序、電力線載波通信程序、SD卡讀寫程序、照明控制程序、自診斷等功能模塊。由于軟件較復雜，所以實際編程中嵌入了uC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)。
2．1 μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)
μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)是真正源碼公開的，采用占先式的實時內(nèi)核，支持多達56個用戶任務，穩(wěn)定性和可靠性高，而且移植方便，占
用內(nèi)存小。μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)中各任務要分配不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級用數(shù)字表示，數(shù)字越小其優(yōu)先級越高。針對本系統(tǒng)中各任務的重要性，為各任務分配了表1所示的優(yōu)先級。
2．2 主程序
主程序完成S32410 GPIO初始化、中斷初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、MI200E初始化、操作系統(tǒng)初始化、任務創(chuàng)建與操作系統(tǒng)的啟動等。
2．3 電力線載波通信程序
電力線載波通信程序主要完成基于MI200E的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，要嚴格遵守其發(fā)送及接收時序。
MI200E在發(fā)送時的數(shù)據(jù)包由8個字節(jié)組成，其中前4個字節(jié)中包含引導碼、后續(xù)發(fā)送采用的波特率以及數(shù)據(jù)長度；第5、6個字節(jié)為從機地址和控制信息；第7、8個字節(jié)為CRC校驗信息。每次發(fā)送數(shù)據(jù)前都需要對MI200E狀態(tài)寄存器的最高位(TI)進行查詢，只有在TI為‘1’時，才能將數(shù)據(jù)配置進MI200E。
MI200E處在接收狀態(tài)時，需要反復查詢狀態(tài)寄存器的RI／Carr／Frame標志。當Carr／Frame被硬件置‘1’后，先讀取接收模式寄存器，取出Package信息，將接收到的波特率信息寫入模式寄存器，然后按照取得的數(shù)據(jù)長度進行接收。注意，每讀取一個字的數(shù)據(jù)前都需要查詢RI／Carr／Frame標志，只有在RI／Carr／Frame都被硬件置‘1’的情況下，再讀取MI200E中的接收數(shù)據(jù)。在讀取完所有的數(shù)據(jù)，包括CRC校驗結(jié)果后，查詢狀態(tài)寄存器中的CRC標志，判斷是否已正確接收到了數(shù)據(jù)。
3 結(jié)語
本文所設計的廣場分區(qū)照明系統(tǒng)具有成本低、響應快、可靠性高、通信距離遠、無需鋪設通信線纜等優(yōu)點，對于信號的處理及照明控制方式可以通過修改程序來靈活改變，因此特別適用于空間較大的廣場、地下停車場、教室等場所。本系統(tǒng)在西安外事學院3#教學樓安裝試驗后，工作穩(wěn)定，可及時將無人的教室燈光關(guān)閉，經(jīng)改動還可關(guān)閉電風扇等電氣設備，因此大幅度地節(jié)約了電能，有著良好的推廣前景。