LIN总线技术在教学楼照明系统中的应用

1 引言

    据调查，目前大多高校教学楼照明用电的管理基本是处于一种粗放式的管理状态。其管理有三种模式：1）无专人管理，由学生自行控制开启，再由值日学生在中午、下午和晚自习后关闭灯具；2）利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；3）由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分楼或分层送电。这三种管理模式都不同程度地存在着布线复杂、浪费电能、无法及时地保证各个教室的照度以及控制的准确程度低等缺陷[1]。在教学楼中引入智能照明系统可以有效地提高管理水平，改善工作和学习环境，达到良好的节能效果。

    目前，智能照明控制系统按网络的拓扑结构主要分为总线式和以星形结构为主的混合式[2]。本文设计的教学楼智能照明系统采用CAN/LIN混合网络体系结构，即干线采用CAN（Controller Area Network）总线，支线采用LIN（Local Interconnect Network）总线。CAN网络是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，具有很高的可靠性，高速、长距离传输，开发系统廉价。LIN总线最初用于实现汽车内部诸多电子控制单元之间的通信，作为子网络，用于一些不需要诸如CAN总线的带宽和多功能场合。但是LIN的应用并不局限于汽车领域，在诸如工业控制领域也占有广阔的应用地位和前景。

    由于LIN总线基于通用UART接口，几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件，网络采用极少的信号线（一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线），设备硬件成本低。使用LIN总线作为总线型楼宇智能照明控制系统的子网络，可以兼顾通讯可靠，节省成本。

2 LIN总线通信规则

    LIN的工作原理是基于单主/多从概念。如图1所示，在一个LIN网络中，由一个主节点以及多个从节点构成，主节点由主机任务和从机任务组成。而所有从机节点只包含从机任务。主节点用于控制LIN总线，它通过对从节点进行查询，将数据发布到总线上。从节点仅在主节点的命令下发送数据，从而在无需仲裁的情况下实现双向通讯。

    LIN协议的发送是由报文实现的，每个报文由主机节点发出的报文头和主机或从机节点发出的报文响应组成。如图2所示。报文的传送是在主节点发出一个同步间隔场后开始的，然后跟随的是同步场和标识符字节。主节点通过在发送同步场可设定整个总线时钟。标识符字节告诉LIN总线随后将发送的是什么数据，并指明哪个节点应该应答及应答的长度是多少。对于给定的命令，只有一个从节点可以应答。从机任务接收标识符后对标识符进行滤波确认，当标识符表明节点与本次通信有关时，发送由数据和校验组成的响应。从节点仅在主节点的控制下在LIN总线上发送数据。一旦数据发布到总线上，任何节点都可以接收该数据。因此，一个从节点向其它从节点发送数据无需主节点干预。由于LIN协议使用低成本RC振荡器，因此从节点必须检测主节点每次发送的波特率，并调整为当前速率[3]。

    LIN总线可以用软件编程实现各种特性，也可以通过软/硬件功能增添新的特性，这样不同的模块就都可以用一个硬件或一个软件平台实现。LIN总线的灵活性有利于降低生产和软/硬件维护方面的成本。因为LIN总线协议非常简单，所以用质优价廉的8位单片机就可以实现，从而降低系统总成本。[page]

3 系统实现

3.1系统组成

    教学楼照明控制系统的基本组成包括主控中心、照明控制器、动态传感器和照度传感器等，系统使用通用计算机作为主控中心，通过通讯装置与网络实现通讯。计算机上可直接实现编程、监控、故障报警等功能。照明控制器是智能照明控制系统的核心部分，既可独立工作，也可以由计算机中心控制。动态传感器利用红外线或超声波的原理，自动识别房间内是否有人存在，从而给控制器发送信号，实现“人来灯亮，人走灯灭”的动态控制功能。照度传感器核心部件是光电耦合器，照度传感器通过感应外部自然光源的照度来调节室内照明的亮度，实现智能探测和智能调节的功能。

3.2 系统结构原理

    系统总体结构如图3 所示。每个教学楼的灯光控制系统干线采用CAN总线，支线采用LIN总线。每个教室内组成一个LIN网络，根据需要设置LIN从节点的个数。

    主机节点采集本地各控制开关的状态，并接受上层网络CAN总线上的远程信息，据此产生控制指令，并将指令转换为LIN报文帧，通过LIN网络发送给相应从机节点。从机节点通过收发器TJA1020接收到与自己相关的报文帧后，对报文帧进行拆封、解读，然后根据获得的指令控制相应的执行器动作，从而实现对各个照明灯状态的控制。同时，在需要时从机节点分别将其控制部件所处状态反馈给主机节点，主机节点再将该状态信息通过指示灯等形式通过CAN总线发给其他控制单元。

    从节点的设计分为两个模块，即传感器模块和执行器模块。传感器用于检测室内光线度等信息，当传感器检测到有人时，立刻判断此时教室内的光线是否适合学习，并将此信息通过LIN总线传给主节点，主节点收到消息后，判断该情况对应的灯光控制模式，然后向LIN总线发送带相应标识符场的报文头，启动一次主节点向从节点发送数据的LIN总线通信。等待LIN总线处理该报文帧之后，主节点启动一次从节点向主节点发送数据的LIN总线通信，该从节点即为前一次LIN总线通信中，接收到主节点命令的从节点。如果主节点接收到的从节点数据与理论上应该收到的数据不符，主节点上的报错指示灯点亮，并可以显示发生故障的从节点号码。

3.3 LIN节点实现

    LIN网络的主机节点和从机节点采用MCS-51系列单片机AT89C51和PHLIP的TJA1020收发器组成，LIN协议控制器AT89C51是低功耗/低电压、高性能CMOS 8位单片机。空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。TJA1020是LIN主/从协议控制器和LIN物理总线之间的接口。它使用的波特率可从2.4到20Kbits/s。控制器在TXD管脚输入的发送数据流通过LIN收发器转换成LIN总线信号，并由收发器控制转换速率和波形，减少EME。

3.3.1 LIN主节点设计

    LIN主节点硬件原理如图2所示。由LIN协议的分析可知，在一次帧通信过程中，主从节点在大部分时间里是以标准的串行通信数据帧的形式交换数据的，通信的关键是要实现主节点和从节点的同步。在同步过程中，主、从节点所执行的操作是不同的：主机节点的任务是要发送报文头，从节点的任务是接收和判断报文头，实现与主节点的同步。

    报文头的间隔场是一个基于主机节点时钟频率的13个以上位时（bit time）和至少1个位时的间隔界定符。对主节点来讲，这一部分是实现主节点功能的关键。一般情况下，串行口和I/O口（TXD,RXD）都是复用的，本系统中首先利用TXD管脚，将其作为I/O口使用，在程序中利用定时器在TXD/P3.1管脚上延时一个13个bit位定时的时间的低电平。也就是相当于在发送之前，控制TXD为高电平，在发送开始的时候，首先在该管脚输出一个低电平，利用定时器延时13bit位的时间，然后再拉高。

    同步场的作用是使LIN从机和主机位速率同步，从而正确接收报文。当利用中断和定时器进行判别同步间隔后，就可以接收同步场。当主从节点的位速率相同时，同步场的数据可当串行数据发送和接收，没有特殊的意义。[page]

3.3.2 LIN从节点设计

    LIN从节点硬件原理如图3所示，从节点实现的关键是能够正确实时地接收报文头，达到与主节点的同步，为下一步的数据交换做好准备。

    从节点对间隔场和同步字节场的接收完全采用中断方式进行。为了能及时感受到主节点报文头的起始阶段，将串口接收数据端RXD端与单片机的一个外部中断触发端口（INT1或INT0）相连，这样，当主节点发送过来的间隔场的下降沿到来时，就可以实时地触发从节点进入对报文头的接收程序段。从节点自总线电平下降沿到来之际，就对总线显性电平（低电平）持续的时间进行累积计算，直到发现总线恢复为隐性电平（高电平）为止。如果此段持续时间大于11个主节点工作位时时间，那么从节点就断定是一次帧通信的开始。接着从节点对同步字节场的接收作好准备，在同步字节场开始位的第一个下降沿起，连续对同步字节场的后4个下降沿进行计时累加，最后将得到的计时时间除以8，得到主节点发送数据的位时时间，即主节点下一步将要进行数据通信的波特率。从节点以此作为串口波特率设定值，通过串口与主节点交换数据。

    间隔场和同步字节场的计时方法是将定时器T0设定成定时一个位时时间后中断，在各个阶段查询定时器T0中断次数，通过计算T0中断次数的差值，可以间接算出各个阶段的持续时间长度。

    由于普通单片机的外部中断触发端只有下降沿和低电平两种触发方式，所以报文头间隔场开始阶段和同步字节场的下降沿可以触发从节点，但报文信号的上升沿却无法让从节点感知。让接收数据流分别经过1个三态门和1个三态非门再进入单片机的串口，2个三态门由单片机的两个端口来控制，就可以解决这个问题。一般情况下，三态门导通，三态非门截止，数据流正常进入单片机串口。当间隔场的下降沿触发单片机后，程序控制三态门截止，三态非门导通，数据流反相进入单片机，间隔场的上升沿经过三态非门后变成下降沿，同样也可以触发单片机中断。在随后的同步字节场的接收中，可以按照正常中断方式进行，即可由同步字节场的5个下降沿触发单片机中断5次接收。

4 总结

    本文所设计的教学楼照明控制系统是应用LIN总线技术构成的控制子网。这种利用LIN总线技术实现的照明控制系统通信实现简单易行，成本低，便于网络化管理，便于设备扩充，信号传输可靠性高，有一定先进性。该系统经扩展后有着非常广阔的应用前景，不仅可以扩展到办公大楼、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。

参考文献
[1] 李明.谈高校教学楼照明管理中的节能措施,山西建筑,第33卷第31期,2007年11月
[2] 胡兴军.发展中的智能照明系统[J].光源与照明,2004,（3）: 44～46.
[3] 广州周立功单片机发展有限公司. LIN的规范（V1.2）
[4] 解小华,李浩,陈红. LIN协议在MCS-51单片机中的实现.控制工程,第11卷增刊,2004年7月