基于POWERLINK的智能照明控制系统的设计和实现

李 敏，卢胜利，程晓亮

（1. 天津职业技术师范大学电子工程学院；2.天津职业技术师范大学工程实训中心；3.天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222）

基于POWERLINK的智能照明控制系统的设计和实现

李 敏1，卢胜利2，程晓亮3

（1. 天津职业技术师范大学电子工程学院；2.天津职业技术师范大学工程实训中心；3.天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222）

针对传统的灯光照明控制系统存在的通信距离短、传输速度慢、误码率高等问题，提出了一种基于POWERLINK总线的智能照明控制系统。介绍了POWERLINK总线的特点，详细阐述了智能照明系统的总体设计框架，各个模块电路硬件以及软件设计流程。该设计实现了POWERLINK总线的通信功能，达到了调光控制目的。具有广阔的应用前景。

POWERLINK总线；智能照明控制系统；FPGA

随着科技的发展和人们物质、精神生活水平的提高，楼宇智能照明的需求量大大增加。传统的控制方法电力电缆铺设过多，增加了投资成本，而且面临着通信距离短、传输速度慢，误码率高等问题。现场总线的引入可以大大缓解以上问题。现场总线技术是2O世纪8O年代后期发展起来的一种先进的工业控制技术，它将计算机网络和数字通信技术应用到了工业控制领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。POWERLINK现场总线是一个完整的从管理层一直到现场I/O层的，确定性传送实时数据的透明解决方案，并已成为工业标准，在实时性和可靠性方面具有独特的优势，具有广阔的市场推广前景[1]。将POWERLINK总线引入智能照明网络可以显著改善目前照明控制系统数据传输速率慢，可靠性差等问题，从而达到控制灵活、节约能源的目的。同时便于整体的管理与调度。本文在介绍POWERLINK总线技术的基础上，设计了一套智能照明控制系统，提出了该系统的整体构架，并对硬件和软件设计与实现做了详细的阐述。

1 POWERLINK总线技术

1.1 POWERLINK总线标准

POWERLINK总线是一种实时性和可靠性很强的现场总线。它具有抖动低、同步性高、循环周期短、便于模块化设计和分布式控制、支持交叉通信以及网络连接稳定可靠等特点[2]；同时，它作为一个国家推荐性标准[3]，还具有开放性和标准化的特点。POWERLINK总线的物理层采用标准的以太网，遵循IEEE802.3快速以太网标准。POWERLINK总线标准对数据链路层做了修改，同时定义了以工业上广泛使用的CANopen协议为基础的应用层，使得不同的设备与应用程序之间有统一的访问方式。POWERLINK总线在智能照明控制系统中的推广成本较低且便于操作。

1.2 POWERLINK总线技术

POWERLINK总线的数据链路层以标准的以太网CSMA/CD技术（IEEE802.3）为基础，引入SCNM（Slot Communication Network Management）机制，实现了数据通讯的确定性[4]。该机制在网络中定义了一个主站（MN）负责管理总线使用权，其他的设备做从站（CN）仅在主站分配的通信时隙内发送报文。SCNM机制将通信的信息分为一个又一个等时长的循环周期，在每个循环周期中等时同步数据和异步数据使用专用时隙，这保证了在同一时间总是仅有一个网络设备能够对网络媒体进行访问，从而保证了通信的实时性。

2 基于POWERLINK总线的智能照明控制系统设计

由于 POWERLINK总线和标准以太网以及CANopen都兼容，因此可以使用POWERLINK技术统一整个控制网络，在整个系统中实现互操作、互联通。本设计由PC机做主站即上位机，采用FPGA为主芯片做从站共同实现POWERLINK协议，实现过程管理级的控制。同时，PC机做主站可以采用Wireshark软件进行网络分包的抓取与分析，当网络发生故障时可以尽快发现问题以便及时解决。基于POWERLINK的智能照明控制系统网络拓扑如图1所示。该设计使用了环形冗余，当某一根线缆出问题，这个系统依然可以继续工作，大大提高了通信的可靠性。对于环形冗余，只要在POWERLINK主站处添加一个冗余模块即可。主站可以控制各个从站的智能节点，各个从站的工作情况也发送到主站，供主站查询。各从站也可以控制本节点上的照明情况。

图1 基于POWERLINK的智能照明控制系统网络拓扑结构

3 智能照明控制系统的硬件设计

由于主站采用PC机实现，硬件的设计主要在从站的节点。本设计的从站采用基于FPGA的从站实现方法。包括FPGA控制部分，POWERLINK通信部分，光敏电阻传感器模块以及PWM调光模块。从站硬件设计框图如图2所示。

图2 从节点硬件设计框图

本设计采用Altera公司的CycloneIV系列FPGA芯片EP4CE22F1717为主芯片，该芯片逻辑单元数为114480LEs，用户I/O为529个，拥有十分丰富的资源，且具有高性能的并行处理能力。因此在该设计中，FPGA芯片既可以实现POWERLINK的通信又可以起到控制的作用。光敏电阻传感器模块将光信号转换为数字信号，通过GPIO口输入FPGA芯片，再通过POWERLINK通信传送给主站PC机，PC机通过根据传感器所提供的外界光照度，判断此时的灯光亮度范围，再向从站发送控制数据，通过GPIO口引出转换后的PWM波形驱动LED灯来调节灯光亮度。

SRAM芯片用来存放POWERLINK协议栈，FLASH配置芯片用来存储FPGA的配置信息。50MHz晶振用来提供外部时钟源信号[5]。FPGA芯片的硬件IP设计主要通过Quartus II软件进行，主要包括物理层设计和软核处理器定制。物理层设计用VHDL语言实现了一个以太网HUB。软核处理器定制利用SOPC Builder工具，根据系统设计要求，通过添加不同的模块来完成所需IP核的集成[6]。POWERLINK模块设置为openMAC模式。在IP核中再加入PWM内核，用于调节LED灯光亮度。

光敏电阻传感器模块对环境光强十分敏感，可以用来检测周围环境的光强和亮度。硬件电路如图3所示，将数字量输出OUT与FPGA的GPIO口直接相连，通过检测高低电平，由此来检测环境的光强改变。

图3 光敏电阻传感器模块

PWM（脉冲宽度调制）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，通过以数字方式控制模拟电路，广泛应用在LED照明领域。本设计中的从站节点通过调节PWM占空比，则可以实现LED亮度调节。从而实现智能照明系统中不同场景的控制，如会议、宴会、休闲等不同场所。PWM调光模块的硬件电路如图4所示。AMC7150是一种仅需外加5个外部元件的PWM功率LED驱动集成电路。5个外部元件分别为Rsense、L4、C22、D8和C23。当使能信号XS9为高电平（2～5.5 V）时，电路关断；当使能信号XS9为低电平（≤0.4 V）时，电路导通。PWM调光波形如图5所示。

图4 PWM调光模块

图5 PWM调光波形

4 智能照明控制系统的软件设计

4.1 主站PC机的软件设计

首先利用openCONFIGURATOR进行网络配置，该软件可以方便快速地配置各节点的网络参数和映射参数。具体过程如下：

将主站和各个从站的XDD文件加载入open－CONFIGURATOR软件，然后对通信周期，主站接收从站回复数据桢的超时时间和网络节点号进行设置，对各从站的网络参数和映射参数进行配置，使所有设备组成一个所需的通信网络。根据网络配置情况，主站-从站之间可以进行通信，各从站之间也可实现交叉通信。图6为1号从站映射参数配置情况。

图6 从站映射参数配置（1号从站）

openCONFIGURATOR软件输出文件主要是后缀. cdc的网络配置文件。该文件是二进制文件，保存着整个网络的配置信息。主站可根据该文件配置自身以及各从站的网络参数和映射参数。

主站在PC机上运行，操作系统要求Windows XP或者Windows 7，并且安装Wireshark或者WinPcap软件。POWERLINK在Windows上运行时需要Win－Pcap这个库作为网卡的驱动程序，安装Wireshark时，会包含WinPcap库。开发环境使用VS2008。POWERLINK作为开源代码，不需要修改任何底层协议通信细节，只要对应用层进行修改即可。将openCONFIGURATOR软件生成的网络配置文件加载入主站工程后开始修改主程序代码。主程序流程图如图7。主站的ID设置为240。在同步回调函数AppCbSync（）中，主站接收并处理来自从站的信息，再将相应的指示命令发送给从站来调节LED光强度[7]。

图7 上位机程序流程图

4.2 从站节点的软件设计

基于FPGA从站的POWERLINK协议栈的设计、编译和实现是在Nios II软件开发环境中进行的。协议栈的内容包括应用层、通信抽象层、对象字典OD和服务数据对象SDO、过程数据对象PDO以及NMT状态机等[8]。设计中同样着重对应用层内容做了修改，其他内容保持不变。协议栈主程序流程如图8所示。从站ID设置取值范围为1-239。将从站周期性收发主站的数据写在同步回调函数AppCbSync（）中，来实现从站对主站的信息反馈。

图8 从站程序流程图

5 结束语

本文采用PC机做主站，低廉的FPGA及其外围电路做从站，构建了基于POWERLINK总线的智能照明控制系统的控制与通信部件。该设计具有自动调光的作用，同时大大提高了通信的实时性与可靠性。该系统经扩展后有广阔的应用前景，不仅是智能楼宇、办公大楼、商业中心等公共场所理想的智能照明控制系统，且在节能方面也有着重大的经济价值。

参考资料：

［1］ 上官小晶.真正实时工业以太网技术Ethernet Powerlink [J]．伺服控制，2008，2（7）：60-63.

［2］ Cena G，Seno L，Valenzano A，et al.Performance analysis of Ethernet POWERLINK networks for distributed control and automation systems[J].Computer Standards&Interfaces，2009，31（3）：566-572.

［3］ GB/T 27960，以太网POWERLINK通信行规规范[S].

［4］ EPSG.Ethernet POWERLINK Communication Profile Specification[EB/OL].（2008-5-20）[2014-9-15].http：//www.ethernet-POWERLINK.org.

［5］ 周立功．SOPC嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2006.73-133.

［6］ 章智慧，白瑞林，沈宪明．面向SOPC Builder的用户自定义IP核开发[J]．自动化仪表，2006，27（9）：23-26.

［7］ EPSG.Ethernet POWERLINK Protocol Stack Software Manual[EB/OL].（2008-6-18）[2014-9-15].http：//www.systecelectronic.com.

［8］ EPSG，DS301 Ethernet Powerlink communication profile specification version 2.0[S].

Design and realization of intelligent lighting control system based on POWERLINK Industrial Ethernet

LI Min1，LU Sheng-li2，CHENG Xiao-liang3
（1.School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education；2.Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education；3.School of Automation and Electrical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222）

An intelligent lighting control system based on POWERLINK bus is proposed，because of short communication distance，slow transmission speed and high error rate existing in the traditional lighting control system.This paper introduces the characteristics of the POWERLINK bus and elaborates the overall design framework，each module circuit hardware and software design process.This design having broad application prospects implements the communication of POWERLINK and the purpose of dimming control.

POWERLINK；intelligent lighting control system；FPGA

TP23

A

2095－0926（2014）04－0001－04

2014-00-00

天津职业技术师范大学研究生创新基金资助项目（YC13-11）.

李 敏（1988—），女，硕士研究生，从事微机测控技术，现场总线方面的研究；卢胜利（1956—），男，教授，硕士生导师，研究方向为嵌入式测控系统.