CN101742774B - 一种智能照明总线系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能照明总线系统及其控制方法，包括PC机和轮流作为主控制器的网关和节点设备，PC机与网关相连，网关与节点设备相连，所述的网关和和节点设备上均有一个集成了UART收发器的微处理器。所述的微处理器是通过485接口芯片通信，增强型485接口芯片MAX487的信号输入端A、B设有防接错电路。该系统成本低廉，运行稳定可靠，可接入节点数多，响应速度快。其控制方法利用了改进型时分多址网络结构、自动切换主控制机、配置信息备份和恢复。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术的总线控制系统，特别涉及一种照明总线系统及控制方法。
背景技术
传统机械式开关照明系统，功能简单、布线复杂、扩展性差，已渐渐不能满足人们的要求，随着电子技术、通信技术和控制技术的发展，网络化的总线型智能照明应运而生。市面上智能照明总线形式有多种，各有优点，但也各有其缺陷和不足。如DALI总线接线简单，但通讯距离较近，支持的网络节点数少；基于CAN、lonWorks的总线通讯距离远，速度快，支持分布式实时控制，但CAN、lonWorks的控制芯片成本较高。目前智能照明总线应用较多的还是基RS-485总线的系统。
RS-485是一套成熟的总线接口，采用平衡发送和差分接收方式实现通信，抗共模干扰能力强，通讯距离远，通讯速度最大达到10Mbps，硬件成本低，程序简单，使用增强型的485接口芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。而采用RS-485总线的智能照明系统又有主机式结构和分布式结构之分。主从式结构RS-485总线采用一主多从的方式，收发接口电路简单，但是由于主节点要不停的论询从节点，从节点之间需要通信时还要经过主控器转发，节点数较多时，响应速度就会下降，另外一个更致命的缺陷是，当主控器失效时，整个网络就会完全瘫痪。
分布式结构RS-485总线，采用多主方式，解决了主从式结构当主控器失效时整个网络就会瘫痪的缺陷，并且节点数增多时，并不影响响应速度。该方式采用载波监听多址访问/冲突检测(CSMA/CD)技术，也就是所有节点在发送前监听总线上是否有其他节点在发送数据，如果有，就暂时不发送。另外在发送数据的同时，边发送边监听，如果监听到冲突则冲突双方都停止发送。但该方式需要增加额外的硬件电路，编程比较复杂，相对主从式会增加额外的成本，另外当多个节点同时要发送数据时，容易发生冲突，有可能会发生部分节点不能正确发送出数据。此外，现在的智能照明系统基本都需要电脑根据需要对各个节点配置信息，配置完成后一旦某个节点失效，更换新的节点时，又需要重新接上电脑进行配置，这样一方面要求维护人员的有较高的专业知识，另一方面维护的速度比较慢，可能会影响用户的正常使用。最后，智能照明总线大多采用4线制方式，其中2根线为总线电源，供总线节点工作，另外两根线为通信线。现场使用中，经常发生电源线和通信线接错接反，造成通信接口损坏。另外，由于总线走线距离比较远，在雷雨天气，雷电往往会通过总线传入系统，造成通信接口损坏。
发明内容
针对上述智能照明总线存在的缺陷和不足，本发明需解决的问题是提供一种具有改进型时分多址网络结构、能自动切换主控制机、配置信息备份和恢复和具有网络总线防接错保护的智能照明总线系统及其控制方法。该智能照明总线系统又叫D-BUS智能照明总线系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种智能照明总线系统，也称作D-BUS智能照明总线系统，包括PC机和轮流作为主控制器的网关和节点设备，PC机与网关相连，网关与节点设备相连，所述的网关和和节点设备上均有一个集成了UART收发器的微处理器。
进一步：在上述D-BUS智能照明总线系统中，所述的微处理器是通过485接口芯片通信，485接口芯片MAX487的信号输入端A、B设有防接错电路。所述的防接错电路是信号输入A端通过瞬变二极管TVS1接地，B端通过瞬变二极管TVS2接地，在瞬变二极管TVS1、TVS2之间串接有瞬变二极管TVS3，在瞬变二极管TVS1、TVS3之间的节点分别通过保险电阻R3与485A连接和通过电阻R39接电源VDD，在瞬变二极管TVS2、TVS3之间的节点分别通过保险电阻R41与485B连接和通过R40接地；在485A与485B之间设有放电管Tube1，放电管Tube1接地。
所述的微处理器是通过485接口芯片通信，485接口芯片MAX487的信号输入端A、B设有防接错电路。所述的防接错电路是信号输入端A通过保险电阻R35与485A连接，信号输入端B通过保险电阻R41与485B连接，在信号输入端A、B之间串接有瞬变二极管TVS1、TVS2，瞬变二极管TVS1、TVS2之间的节点接地。所述的节点设备是功能模块、功能器件或者整机设备中的一种。
本发明还提供了上述D-BUS智能照明总线系统的控制方法，A、网关先作为主控制器，为节点设备分配通信权，先是节点设备1，然后是节点设备2……节点设备n，n是自然数，再到节点设备1，无限循环；B、轮到某个节点设备通信时，它以广播发送的方式将通信数据发给其它任何节点设备，从节点设备发送的数据都有约定好的结束标志字节，当主控制器接收到结束标志字节时，从节点设备释放了总线的控制权，然后主控制器又将通信权分配给下一个从节点设备，所有节点设备之间直接通信，不需主控制器作为过渡；C、总线系统经过搜索后，所有设备上存贮器ROM都保存了实际存在的节点地址，当主控制器失效后，总线就会空闲，当空闲超过预设时间后，原来处于从节点地位的设备就竞争成为主控制器；D、PC机发送的系统配置信息通过网关转发给其它节点设备，转发过程中，网关分析预定义的通信协议，将所有节点设备的配置信息按地址保存在存储器EEPROM上。
进一步：在上述控制方法中，所述步骤B的通信数据分为两种格式，主控器论询从节点时，主控器仅发送一帧11位的数据，若该从节点有数据要发送，则收到论询后，就以另外一种格式的数据包向总线广播发送命令数据，若该从节点无数据要发送，则仅应答一帧11位的结束标志字节0XFE，主控制器发出论询后，不管从节点有无命令数据要发送，主控制器只要收到结束字节标志0XFE，就知道从节点释放了总线控制权，于是接着论询下一个从节点。所述步骤B还包括系统接好线后，经过网关接上PC机，PC机上的监控软件发送搜索命令，将系统存在的节点地址搜索出来，并将节点地址然保存到设备上的过程。所述步骤C的预设时间是指从节点的设备根据自身地址值的高低确定总线空闲的时间。
与现有技术相比，上述D-BUS智能照明总线系统，包括PC机和轮流作为主控制器的网关和节点设备，PC机与网关相连，网关与节点设备相连，所述的网关和节点设备设有带串行接收器UART且防接错的微处理器。D-BUS智能照明系统除了具备开关控制、调光控制、场景控制、人体移动感应控制、环境亮度感应控制、空调控制、窗帘控制、投影幕布控制、时间控制、遥控控制、电脑控制、异地远程控制等强大功能外，还具有如下有益效果：
(1)总线接口硬件电路简单，成本低廉
(2)可接入节点数多。一个D-BUS子系统最多可接入250个节点，多个子系统可组网，最多可以250个子系统一起组网。则D-BUS系统最多可接入的节点数为250×250＝62500个。
(3)响应速度快。单个节点响应速度达到10毫秒左右；128个节点响应速度最慢256毫秒，一般情况下小于200毫秒；250个节点时响应速度最慢500毫秒，一般情况下小于300毫秒，也即当按键按下到灯打开之间的延时间隔为300毫秒，300毫秒人基本上感觉不到滞后。节点数越少，响应速度越快。
(4)通信距离远。在9600bps的波特率下，可靠通信距离1000米。
(5)可靠性高。多个按键同时按下或其它触发事件同时发生，通信过程也不会发生冲突，并且不会发生有触发事件遗漏而发送不出数据的问题。
(6)每个节点设备均可作为主控制器，每个网段任意时刻仅有一个设备作为主控制器，当处于主控地位的节点失效时，最低地址的从节点自动切换为主控制器。不管总线从什么地方断开两段或多段，断开后的网段都会有从节点切换为主控制器，不会出现网络瘫痪的情况。
(7)每个设备的配置信息均有备份到网关，当一个设备失效时，换上新的设备，不用接上PC机，一键即可恢复原有配置，无需专业知识，维护简单，快速恢复使用。
(8)总线接口电路有防接错防雷措施，即使总线电源线与通信线接错接反或发生雷击，均不会损坏设备。
附图说明
附图1是本发明的网络拓扑结构图；
附图2是防接错保护电路原理图。
具体实施方式
本发明的主旨是设计D-BUS智能照明总线系统的网络拓扑结构图，嵌入D-BUS软件，使得该系统具有改进型时分多址网络结构、自动切换主控制机、配置信息备份/恢复和网络总线防接错保护的功能。
参照图1：进型时分多址网络通信实现方法，网关和所有节点设备上均有一个集成了UART收发器的微处理器，微处理器是通过增强型485接口芯片，通信，允许接入的节点数最多可以达到256个；通信波特率采用9600bit/s，这样传输距离可以比较远，可靠距离可以达到1000米；发送数据帧采用11位UART方式，附加的第9位作为通信中地址/数据信息的标志位。默认情况下，网关作为主控制器，主控制器的作用就是为从节点分配通信权。在这种网络拓扑结构中，通信权轮流分配。首先是节点设备1，然后是节点设备2……节点设备n，再是节点设备1，这样无限循环。当轮到某个节点设备通信时，它就以广播发送的方式将通信数据发给其它任何节点设备上，从节点发送的数据都有约定好的结束标志字节，当主控制器接收到结束标志字节时，就知道从节点设轩释放了总线的控制权，然后主控制器又将通信权分配给下一个从节点设备。所有节点设备之间直接通信，不需主控制器作为过渡。
为了达到快速响应的目的，通信协议上做了多种处理方法。首先，通信数据包格式分为两种格式。主控器论询从节点时，主控器仅发送一帧11位的数据，即发送要论询的从节点的地址(地址范围0～249)，其中第9位地址标志位有效，这样仅与该地址值相同的从节点收到论询。若该从节点有数据要发送，则收到论询后，就以另外一种格式的数据包向总线广播发送命令数据，若该从节点无数据要发送，则仅应答一帧11位的结束标志字节0XFE。这样在9600bit/s的波特率下，论询一个从节点，仅需要2毫秒左右的时间。当主控器或其它设备要发送命令数据时，按如下数据包格式发送
| 起始字节 | 帧长 | 命令代码 | 源地址 | 目的地址 | 参数1 | …… | 参数n | CRC校验 | 结束字节 |
| 0xFF(广播地址) | 0xFE |
主控制器发出论询后，不管从节点有无命令数据要发送，主控制器只要收到结束字节标志0XFE，就知道从节点释放了总线控制权，于是接着论询下一个从节点。其次，系统接线好后，经过网关接上PC机，在PC机上的监控软件发送搜索命令，将系统存在的节点地址搜索出来，然后保存到所有的设备上。主控器论询时，仅论询实际存在的节点地址。另外对于无输入触发事件的设备，每3～5个循环才论询一次，这样一个论询循环过程时间就大大减小，提升了响应速度。再次，当主控制发送了要论询的地址后，经过4毫秒左右后还没接收到串口中断，就可以判断通信有错误，连续几个循环后还是一样的情况就可以判断该地址设备发生错误，下次就不再论询，这样即使有设备失效，也不会影响总线的响应速度。经过以上的处理，改进型时分多址网络通信实现了总线接口电路简单、可接入节点数多、响应速度快、即使多个设备同时要发送命令数据也不会发生数据冲突、通信距离远、稳定可靠的效果。
自动切换主机的实现：系统经过搜索后，所有节点设备上的存贮器EEPROM都保存了实际存在的节点地址，当主控制器失效后，总线就会空闲，当空闲超过一定时间后，原来处于从节点地位的设备就竞争成为主控制器，设备根据自身地址值的高低等待总线空闲的时间，节点地址较最低的设备，等待空闲的间就比较短，就会先竞争成为主控制器，一旦有节点设备成为主控制器，总线就不会空闲，其它节点设备就退出竞争，总线又恢复了正常，这样无论是主控制器失效还是总线断路，都不会造成网络瘫痪。
配置信息备份和恢复原理：PC机发送的系统配置信息通过网关转发给其它设备，转发过程中，网关分析预定义的通信协议，将所有设备的配置信息按地址保存在一个大容量的EEPROM存储器上。一旦某个设备失效后，换上新的设备，按住新设备预设的一个按键，保存在网关上的对应设备配置信息就下载到新设备上。实现了维护简单、快速的效果。
上述节点设备是功能模块、功能器件或者整机设备中的一种。
参照图2：所述的微处理器是通过485接口芯片通信，485接口芯片MAX487的信号输入端A、B设有防接错电路。所述的防接错电路是信号输入A端通过瞬变二极管TVS1接地，B端通过瞬变二极管TVS2接地，在瞬变二极管TVS1、TVS2之间串接有瞬变二极管TVS3，在瞬变二极管TVS1、TVS3之间的节点分别通过保险电阻R3与485A连接和通过电阻R39接电源VDD，在瞬变二极管TVS2、TVS3之间的节点分别通过保险电阻R41与485B连接和通过R40接地；在485A与485B之间设有放电管Tube1，放电管Tube1接地。放电管Tube1做前级防雷保护，保险电阻R35、R41做过流保护，瞬变二极管TVS1、TVS2做后级共摸保护，TVS3做后级差模保护。瞬变二极管动作电压7.5V，保险电阻动作电流为50mA，即使因接错线485A、485B间接入DC24V电源，保险电阻动作变为高阻，而瞬变二极管嵌位在7.5V，485接口芯片MAX487不会烧坏，达到保护目的。
Claims (6)
1.一种智能照明总线系统，包括PC机和轮流作为主控制器的网关和节点设备，PC机与网关相连，网关与节点设备相连，其特征在于：所述的网关和节点设备上均有一个集成了异步通信UART收发器的微处理器；
所述的微处理器是通过485接口芯片通信，增强型485接口芯片MAX487的信号输入端A、B设有防接错电路；
所述的防接错电路是信号输入A端通过第一瞬变二极管(TVS1)接地，B端通过第二瞬变二极管(TVS2)接地，在第一、二瞬变二极管(TVS1、TVS2)之间串接有第三瞬变二极管(TVS3)，在第一瞬变二极管(TVS1)、第三瞬变二极管(TVS3)之间的节点分别通过第一保险电阻(R35)与485A连接和通过第一电阻(R39)接电源VDD，在第二、三瞬变二极管(TVS2、TVS3)之间的节点分别通过第二保险电阻(R41)与485B连接和通过第二电阻(R40)接地；在485A与485B之间设有放电管(Tube1)，放电管(Tube1)接地。
2.根据权利要求1所述的智能照明总线系统，其特征在于：所述的节点设备是功能模块、功能器件或者整机设备中的一种。
3.一种根据权利要求1所述的智能照明总线系统的控制方法，其特征在于：
A、网关先作为主控制器，为节点设备分配通信权，先是节点设备1，然后是节点设备2……节点设备n，n是自然数，再到节点设备1，无限循环；
B、轮到某个节点设备通信时，它以广播发送的方式将通信数据发给其它任何节点设备，节点设备发送的数据都有约定好的结束标志字节，当主控制器接收到结束标志字节时，识别节点设备释放了总线的控制权，然后主控制器又将通信权分配给下一个节点设备，所有节点设备之间直接通信，不需主控制器作为过渡；
C、总线系统经过搜索后，所有设备上存贮器ROM都保存了实际存在的节点地址，当主控制器失效后，总线就会空闲，当空闲超过预设时间后，原来处于从节点地位的设备就竞争成为主控制器；
D、PC机发送的系统配置信息通过网关转发给其它节点设备，转发过程中，网关分析预定义的通信协议，将所有节点设备的配置信息按地址保存在存储器EEPROM上。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步骤B的通信数据分为两种格式，主控制器论询从节点时，主控制器仅发送一帧11位的数据，若该从节点有数据要发送，则收到论询后，就以另外一种格式的数据包向总线广播发送命令数据，若该从节点无数据要发送，则仅应答一帧11位的结束标志字节OXFE，主控制器发出论询后，不管从节点有无命令数据要发送，主控制器只要收到结束标志字节OXFE，识别出从节点释放了总线控制权，于是接着论询下一个从节点。
5.根据权利要求4的述的控制方法，其特征在于：所述步骤B还包括系统接好线后，经过网关接上PC机，PC机上的监控软件发送搜索命令，将系统存在的节点地址搜索出来，并将节点地址保存到所有节点设备上的过程。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步骤C的预设时间是指节点设备根据自身地址值的高低确定总线空闲的时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130529 Termination date: 20131209 |