LIN總線技術(shù)在教學(xué)樓照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

據(jù)調(diào)查，目前大多高校教學(xué)樓照明用電的管理基本是處于一種粗放式的管理狀態(tài)。其管理有三種模式：1）無專人管理，由學(xué)生自行控制開啟，再由值日學(xué)生在中午、下午和晚自習(xí)后關(guān)閉燈具；2）利用定時(shí)開關(guān)，根據(jù)作息時(shí)間開啟和關(guān)閉整個(gè)教學(xué)樓的照明電源；3）由專人負(fù)責(zé)，即管理人員根據(jù)作息時(shí)間和天氣情況分樓或分層送電。這三種管理模式都不同程度地存在著布線復(fù)雜、浪費(fèi)電能、無法及時(shí)地保證各個(gè)教室的照度以及控制的準(zhǔn)確程度低等缺陷[1]。在教學(xué)樓中引入智能照明系統(tǒng)可以有效地提高管理水平，改善工作和學(xué)習(xí)環(huán)境，達(dá)到良好的節(jié)能效果。

目前，智能照明控制系統(tǒng)按網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為總線式和以星形結(jié)構(gòu)為主的混合式[2]。本文設(shè)計(jì)的教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)采用CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，即干線采用CAN（Controller Area Network）總線，支線采用LIN（Local Interconnect Network）總線。CAN網(wǎng)絡(luò)是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，具有很高的可靠性，高速、長(zhǎng)距離傳輸，開發(fā)系統(tǒng)廉價(jià)。LIN總線最初用于實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部諸多電子控制單元之間的通信，作為子網(wǎng)絡(luò)，用于一些不需要諸如CAN總線的帶寬和多功能場(chǎng)合。但是LIN的應(yīng)用并不局限于汽車領(lǐng)域，在諸如工業(yè)控制領(lǐng)域也占有廣闊的應(yīng)用地位和前景。

由于LIN總線基于通用UART接口，幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件，網(wǎng)絡(luò)采用極少的信號(hào)線（一根12V信號(hào)總線和一個(gè)無固定時(shí)間基準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)同步時(shí)鐘線），設(shè)備硬件成本低。使用LIN總線作為總線型樓宇智能照明控制系統(tǒng)的子網(wǎng)絡(luò)，可以兼顧通訊可靠，節(jié)省成本。

2 LIN總線通信規(guī)則

LIN的工作原理是基于單主/多從概念。如圖1所示，在一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)中，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，主節(jié)點(diǎn)由主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)組成。而所有從機(jī)節(jié)點(diǎn)只包含從機(jī)任務(wù)。主節(jié)點(diǎn)用于控制LIN總線，它通過對(duì)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢，將數(shù)據(jù)發(fā)布到總線上。從節(jié)點(diǎn)僅在主節(jié)點(diǎn)的命令下發(fā)送數(shù)據(jù)，從而在無需仲裁的情況下實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

LIN協(xié)議的發(fā)送是由報(bào)文實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)報(bào)文由主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文頭和主機(jī)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文響應(yīng)組成。如圖2所示。報(bào)文的傳送是在主節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)同步間隔場(chǎng)后開始的，然后跟隨的是同步場(chǎng)和標(biāo)識(shí)符字節(jié)。主節(jié)點(diǎn)通過在發(fā)送同步場(chǎng)可設(shè)定整個(gè)總線時(shí)鐘。標(biāo)識(shí)符字節(jié)告訴LIN總線隨后將發(fā)送的是什么數(shù)據(jù)，并指明哪個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該應(yīng)答及應(yīng)答的長(zhǎng)度是多少。對(duì)于給定的命令，只有一個(gè)從節(jié)點(diǎn)可以應(yīng)答。從機(jī)任務(wù)接收標(biāo)識(shí)符后對(duì)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行濾波確認(rèn)，當(dāng)標(biāo)識(shí)符表明節(jié)點(diǎn)與本次通信有關(guān)時(shí)，發(fā)送由數(shù)據(jù)和校驗(yàn)組成的響應(yīng)。從節(jié)點(diǎn)僅在主節(jié)點(diǎn)的控制下在LIN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)發(fā)布到總線上，任何節(jié)點(diǎn)都可以接收該數(shù)據(jù)。因此，一個(gè)從節(jié)點(diǎn)向其它從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)無需主節(jié)點(diǎn)干預(yù)。由于LIN協(xié)議使用低成本RC振蕩器，因此從節(jié)點(diǎn)必須檢測(cè)主節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送的波特率，并調(diào)整為當(dāng)前速率[3]。

LIN總線可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種特性，也可以通過軟/硬件功能增添新的特性，這樣不同的模塊就都可以用一個(gè)硬件或一個(gè)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。LIN總線的靈活性有利于降低生產(chǎn)和軟/硬件維護(hù)方面的成本。因?yàn)長(zhǎng)IN總線協(xié)議非常簡(jiǎn)單，所以用質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的8位單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)，從而降低系統(tǒng)總成本。