CPLD在智能感应照明控制系统中的应用

张军 刘筠筠

摘 要： 针对传统LED照明开关控制模糊等缺陷，设计了CPLD智能照明控制系统。首先介绍采用CPLD进行智能感应照明控制系统的工作原理，分析软硬件设计思路以及遇到的问题。实验表明，智能控制系统改善了传统控制开关的缺陷，能够可靠工作，实现照明的智能控制。

关键词： CPLD； 智能控制； 节能； PWM； 驱动模块

中图分类号： TN91?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）08?0162?03

Application of CPLD in intelligent sensing lighting control system

ZHANG Jun， LIU Junjun

（Zhengzhou University of Science & Technology， Zhengzhou 450064， China）

Abstract： Since the traditional LED lighting switch has the defect of fuzzy control， the CPLD intelligent lighting control system was designed. The working principle of the intelligent sensing lighting control system with CPLD is introduced. The software and hardware design thoughts and problems met in design process are analyzed. The intelligent control system corrected the defect of the traditional control switch， realized the intelligent control of lighting ， and could work reliably.

Keywords： CPLD； intelligent control； energy saving； PWM； drive module

能源紧缺已经成为制约我国经济长期可持续发展的重要问题，国家已经把能源问题提升到了影响国家安定的战略高度。电力能源是目前最重要的能源形式，近些处来，随着我国的工农业的迅速发展，人民生活水平的提高，这就造成了照明用电量的增加，尤其在用电高峰更为明显。传统的控制开关存在控制模糊等缺陷，因此采用有效智能感应照明系统改善传统自动开关电路的缺陷，对于节约用电具有重要的意义。

1 智能控制系统的设计原理

本文基于CPLD的丰富的可编程软件功能，以CPLD作为控制核心，结合相应的外围扩展模块，从而实现照明电灯的智能控制。CPLD智能控制系统会根据外界环境的光照强度来感知控制照明电灯的亮和灭，同时实时采集在线抽样电压，并进行判断分析，做出控制输出信息的决策，最终进行有效的节电照明智能控制。图1所示为智能控制系统的整体框图。从图1中可以看出整个系统主要由传感器部分、控制部分、LED驱动和照明部分组成[1]。

2 系统硬件平台的设计

2.1 关键电路模块设计

智能感应照明系统的电路模块主要包括了PWM脉冲发生器模块、光照度检测模块、红外检测模块、LED驱动模块以及一些辅助模块。

（1） PWM脉冲发生器模块

PWM脉冲发生器的作用主要是产生PWM脉冲，从而驱动LED灯，该脉冲可以通过CPLD来控制。脉冲模块采用了美国Altera公司的MAX7000，该CPLD通用性和可靠性高[2]，并且能够进行在线编程。PWM波形采用了Verilog HDL进行开发，原理图如图2所示。

PWM的信号产生电路采用触发器和计数器设计。在输入端能够得到一系列的具有相等幅值但是宽度不一致的脉冲；计数器主要有减一计数和周期预置计数器，触发器主要有T触发器、全零检测器等。周期计数器和减一计数器采用16位计数器模块实现。首先减一计数器由周期预置计数器预置初始值N，然后，分频时钟信号CLK控制减一计数器实现二进制数N的减一运算。当计数器中的初值N递减到0时，全0检测器将会产生高电平，重新将计数器当中的数置为N，如此不断的循环，产生周期为[T=NfCLK]的触发脉冲信号。脉冲整形电路将该触发信号送给T触发器FF0，如果触发器的脉冲信号周期为T，那么在输入端就会形成周期为2T的数字PWM信号。因此计数器的初始值N可以调节PWM的脉冲宽度[3]。

（2） 光照度检测模块

采用光敏电阻R来对外界环境的光线进行采样。该光照度检测模块采用的光谱响应接近人视觉敏感区的波长。芯片ADC08032将采集到的模拟信号转换成1组8位数字信号。通过改变周期预置的初始值，产生的可控的PWM宽度来模拟外界不同的光照强度，从而控制LED的亮度。

（3） LED驱动模块

传统上，LED采用可调节的恒流源进行驱动，本设计采用了PWM脉冲进行驱动，当LED工作在脉冲状态下时，能够被人眼觉察到的LED亮度是介于平均亮度和峰值亮度之间；也就是说，需要得到同样的发光强度，采用脉冲电流的方式比恒流源驱动的方式电流更小；因此，这种方式能够降低功耗，节省电能。PWM信号的驱动LED电路如图3所示。

当PWM处在高电平时，三极管Q1被导通，MOSFET的栅源电压VGS<0，源漏极导通，LED点亮。反之，当PWM处在低电平的时候，三极管Q关断，LED灯熄灭。目前，LED灯主要采用了串联各并联两种方式，而市场上成熟的LED灯采用的是1 W单粒LED，发光效率为60 lm/W，预计需要的亮度在200 lx左右。

因此由平均亮度公式[E=NΦUKA，]得到：

[N=EA（ΦUK） =（200×60）（60×0.65×0.8）=384]

式中：E代表平均光照强度；N代表LED灯的个数；U代表LED灯的利用系数；K代表维护系数；A代表室内面积；Φ代表光通量。

（4） 红外线检测模块

本设计采用PMW周期脉冲发生器模拟了外界环境的光照强度，根据环境的变化自动调整LED电路的通断，但是在晚上较暗时，没有人行走，路灯也会发光，在一些不需要长期照亮的地方，造成电能的极大的浪费。因此，需要在系统中加入红外线检测模块，自动判断是否有人进入照明的区域。红外检测模块由热释红外传感器实现，当无人进入该区域的时候，红外感应器只能感应到背景温度。当有人进入到检测区域时，则会感应到背景温度和人体温度的差异，检测模块会将透过滤光晶片的红外能量转换成电信号，控制系统会对该电信号进行分析，从而判断是否发出开灯信号[4]。

2.2 设计LED灯三个主要问题

（1） 驱动电源的选取

传统上驱动电源是在普通的稳压电源外围加上电阻或者有源器件限流，从而能够保持LED电流的相对稳定。但是这种方式成本高、效率低，一般小功率的开关电源效率在70%左右，算上外部限流元件的损耗，效率会低于60%，这会使LED节能照明优势消失。

AP?2B320LED驱动器作为专用的电源变换器，安装在LED灯的内部采用220 V交流电供电，能够串联驱动10～40只1 W的大功率的LED灯工作，变换效率高，达到了85%以上，而且驱动器采用了封闭结构，适合在室内和室外使用。

（2） LED灯的连接方式

目前市场上主要采用的都是单粒1 W的LED灯，因此LED灯免不了需要进行串联、并联、混联组合连接。单独采用串联或者并联都存在一些问题：

全部串联方式：这种方式如果出现了一只LED灯损坏，那么整个灯将会不亮，而且全部串联的驱动电压至少需要150 V，电压过高，降低了电路的安全性[5]。

全部并联方式：这种方式如果出现了开短路，那么电路当中的电流就会不均衡，从而影响LED灯的使用寿命。

因此，由于LED灯的数量太多，单独的串联或者并联都会出现问题，最终采用了串并混合的方式。专用的LED驱动器一般作为电流源，在多串的LED灯的外围需要辅以均流措施，从而能够均衡地把电流分配给每一个LED支路[6]。

（3） 散热方式

散热问题的解决主要依靠灯体结构的合理设计。按照LED的数目在Al基板上打孔，从而将LED镶嵌到Al板上，在Al板的后面连上引脚。LED灯的外壳采用金属材料，这样热量可以由Al板传导到金属外壳上，最终通过辐射和对流散去[7]。灯体的外壳应该采用散热片的结构，这样能够在保证较大散热面积的同时又减小LED灯的体积[8]。

3 系统软件平台的设计

CPLD是基于EPLD上发展起来的，它包含了可编程的逻辑宏单元、内部连线、I/O单元，同时还集成了FIFO、双口RAM、比较器等，具有足够的驱动能力，能够产生互补的输入信号，提供不同的输出方式[9]。

3.1 软件的设计

本系统采用模块化的设计思想，通过Verilog HDL编程语言设计了各个模块，主程序作为核心功能模块调用各个功能模块来实现相应的功能。该控制系统的主要功能中，将光照度检测模块产生的信号经过数字模拟转换后分成两路：一路代表环境能见度的基本数制码进行比较转换成Manchester码，并且和红外检测模块收到的信号做运算，最终产生LED的开关信号；另一路经过数制变换成PWM脉冲发生器的预置数值，完成对PWM脉冲宽度的调制[10]。

3.2 基于CPLD的Manchester编码器

在进行模/数转换后，数字通信的过程当中，基带信道对传输信号的码型具有严格的要求，为了加强信号抗干扰性，需要将原始的信息流转变为适合基带信道传输的编码，比如BPH码、AMI码、CMI码等传统都采用的CMI码，也就是二进制编码，但是二进制编码对于码间的干扰能力有限[11]。因此，本系统采用了BPH码也就是Manchester码。与其他的编码相比，这种编码能够消除直流，同时具有很高的抗干扰和时钟恢复能力，更适合在传输性能较差的信道当中传输信息。

CPLD输出的单一BPH码中包含了数据信号和时钟信号，其中时间码被分为了等间隔的小段，这些小段表示一位数据，该数据又分为两个部分，前半数据代表了该时间段传送比特码的反码，后半个时间段代表了比特值。可以看到，每个数据码之间都有一个跳变，从低位跳到高位用“1”表示，而从高位跳到低位用“0”表示。设计基于Quartus Ⅱ软件平台，并适配到具体的CPLD器件中去，比如CPLD 内部的ROM存放了1110101010101010，则Manchester编码器对该信息编码的码元为01010110011001100110011001100110。

4 结 论

LED作为新一代的节能产品，具有体积小、能耗低等优点。本文提出了一种基于CPLD的智能感应照明控制系统，不仅智能控制了电灯的开和断，而且能够根据外界光照强度和是否有人来调节路灯的亮度，从而真正的实现路灯的节能和智能控制。实验表明，该系统能够可靠稳定的工作，在当前国家大力提倡减排节能的要求下，具有较大的研究意义。

参考文献

[1] 易安.半导体照明21世纪的节能新光源[J].中国科技投资，2004（8）：28?30.

[2] 王海伦，叶冬芬.基于单片机控制的教室照明智能控制系统[J].机电一体化，2005，11（1）：69?70.

[3] 张毅刚，彭喜源，谭晓昀.MCS?51单片机应用设计[M].2版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[4] 陈汉汛，倪尔东，刘利.汽车LED光源信息传递及驱动[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2005，27（1）：143?146.

[5] 戴文进，李庆武，彭聪.节能照明系统的研制[J].节能，2002（3）：11?12.

[6] 吴永桥，金康进，施光林.基于AT89C52的日光灯照明节电控制系统[J].微型机与应用，2004，23（8）：36?38.

[7] 李伟.基于自由空间光通信语音传输系统的研究[D].哈尔滨：黑龙江大学，2010.

[8] 鲁义轩.LED照明灯：创新无线通信“最后一米”[J].通信世界，2010（19）：25.

[9] 胡国永，陈长缨，陈振强.白光LED照明光源用作室内无线通信研究[J].光通信技术，2006，30（7）：46?48.

[10] 于志刚.白光LED通信接收系统关键技术研究[D].广州：暨南大学，2013.

[11] 魏承功.基于白光LED的室内可见光通信系统研究[D].长春：长春理工大学，2010.

[12] 丁德强，柯熙政.一种通用白光LED数学发光模型研究[J].光学学报，2010，30（9）：2536?2540.