基于EIB的調光系統(tǒng)的實現(xiàn)

葉 挺，王景存

(武漢科技大學 信息科學與工程學院,湖北 武漢430081)

智能建筑中集成了現(xiàn)代通信技術、微電子技術等尖端技術。這些技術的應用，不僅給建筑帶來了沉重的建設成本壓力，其運行和維護成本也日漸增高，同時智能化建筑對施工的便捷性、使用的安全性、經(jīng)濟性、舒適性等方面不斷提出更高的要求。為適應這樣的需求，建筑領域的現(xiàn)場總線技術標準歐洲安裝總線——EIB(Europeaninstallation Bus)便 應 運 而 生[1]。

1 EIB技術

EIB技術對傳統(tǒng)電氣安裝技術而言是一次突破性的革命，它具有現(xiàn)場總線技術的核心優(yōu)點，如全分散控制；設計、安裝、維護方便等，是當今建筑技術領域非常優(yōu)秀的現(xiàn)場總線標準。EIB是一個基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)。系統(tǒng)采用串行數(shù)據(jù)通信進行控制、監(jiān)測和狀態(tài)報告。所有總線裝置均通過共享的串行傳輸連接(即總線)相互交換信息。數(shù)據(jù)傳輸按照總線協(xié)議所確定的規(guī)則進行，需發(fā)送的信息先打包，形成標準傳輸格式(即報文)，然后通過總線從一個傳感裝置(命令發(fā)送者)傳送到一個或多個執(zhí)行裝置(命令接收者)。EIB的數(shù)據(jù)傳輸和總線裝置的電源(DC 24V)共用一條電纜，報文調制在直流信號上[1]。

2 EIB的拓撲結構

EIB是一個開放的協(xié)議，可采用雙絞線、電力線、同軸電纜、無線等不同的通信介質,其中應用較廣泛的是雙絞線和電力線。使用雙絞線時，每個物理段可長達1 000 m，傳輸速率為 9.6 kb/s；使用電力線時,最大傳輸距離為600 m。

EIB網(wǎng)絡是一個完全對等(peer-to-peer)的分布式網(wǎng)絡。接入網(wǎng)絡的每個設備具有同等的地位，不存在中央控制設備。為了讓EIB系統(tǒng)能夠適用于不同規(guī)模和復雜度的電氣安裝系統(tǒng)，特別在構架上進行了層次規(guī)劃。其網(wǎng)絡拓撲如圖1。從圖中可以看出，網(wǎng)絡采用了域(Domain)、區(qū)(Area)、線(Line)的分層 結構[5]。

每一條Line上最多可以連接和容納255個設備同時工作。通過線路耦合器(LK)，一個Area內最多可容納15條 (按照地址分配原則,理論上是可以容納15條Line，但是工程中往往是不可行的)；而通過干線耦合器(BK)，一個Domain可容納15個Area。這樣一個 EIB系統(tǒng)最多(理論上)可容納 255×15×15=65 025個設備，一般實際設計時為 64×12×15=12 480個設備。線、區(qū)間連接通過特定的線耦合器 (Line Coupler)和區(qū)耦合器(Area Coupler)實 現(xiàn)[6]。

3 EIB調光系統(tǒng)的總體結構框圖

EIB調光系統(tǒng)主要由三部分構成，如圖2所示，電容式觸摸感應按鍵、EIB調光驅動器、和日光燈。每個模塊中都有總線耦合器BCU，它主要實現(xiàn)EIB物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。

3.1 總線耦合器BCU

總線耦合器BCU包括三部分,如圖3所示。FZE1066負責將EIB總線的信號解調成串行數(shù)字信號，同時也將FPGA發(fā)出的串行數(shù)據(jù)調制到EIB總線上。發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)字信號通過 SEND管腳發(fā)送到 FZE1056，F(xiàn)ZE1056將數(shù)字信號經(jīng)過調制變成模擬信號，發(fā)送到總線上。同時FZE1056接收EIB總線上的模擬信號變成數(shù)字信號，通過QREC管腳發(fā)送出。FPGA在發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過接收QREC管腳的信號來判斷發(fā)送1 bit色數(shù)據(jù)是否成功。

FPGA負責將單片機發(fā)送的并行數(shù)據(jù)轉成串行數(shù)據(jù)，發(fā)送給FZE1056。同時FPGA也接收來自FZE1066的串行數(shù)據(jù)，并將其處理成8位的并行數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給MCU。FPGA內部功能模塊可以分成發(fā)送模塊、接收模塊和信號合法性檢測模塊。

FPGA在向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時,也接收來自總線的數(shù)據(jù)，邊發(fā)送邊檢測，當發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)不一致時，說明總線正忙，BUSY線將輸出低電平。此時說明系統(tǒng)申請總線失敗，退出發(fā)送，進入等待狀態(tài)。

FPGA接收來自總線的數(shù)據(jù)時，ROE管腳為低電平，處于接收使能狀態(tài)，WOE管腳為高電平，發(fā)送模塊處在禁止狀態(tài)。在接收數(shù)據(jù)時，也要進行數(shù)據(jù)的合法性檢測。接收完1幀數(shù)據(jù)后，要進行奇偶檢驗。當一幀數(shù)據(jù)接收完成，并且奇偶校驗正確時，INT為低電平，通知MCU有數(shù)據(jù)接收完成，等待讀取。當檢測到接收的數(shù)據(jù)不合法或奇偶檢驗錯誤時，ERR為低電平，通知 MCU，當前數(shù)據(jù)接收錯誤。

MCU也包括3個功能部分:發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模塊、功能定義模塊和RS485模塊。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模塊用于向FPGA發(fā)送8 bit的數(shù)據(jù)和接收來自FPGA的8 bit數(shù)據(jù)。功能定義模塊通過串口和PC機相連。MCU處于編程模式時，PC機軟件通過串口將編譯好的系統(tǒng)功能發(fā)送給MCU。MCU將系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)存在EEPROM中，上電重啟時，當功能數(shù)據(jù)較小時，將此部分數(shù)據(jù)拷貝到一個大的數(shù)據(jù)中，需要時，從此數(shù)組中讀取數(shù)據(jù)。當功能數(shù)據(jù)較大時，只拷貝一部分數(shù)據(jù)到大的數(shù)組中，當需要的數(shù)據(jù)不在數(shù)組中時，再拷貝余下的部分到數(shù)組中。RS485模塊，主要是兼容RS485的設備，功能與EIB是一樣的，只是連接的總線不一樣。

3.2 電容式觸摸感應按鍵

觸摸按鍵的原理：在任何兩個導電的物體之間都存在電容，電容的大小與介質的導電性質、極板的大小與導電性質、極板周圍是否存在導電物質等有關。PCB板(或者FPC)之間兩塊露銅區(qū)域就是電容的兩個極板，相當于一個電容器。當人體的手指接近PCB時，由于人體的導電性，會改變電容的大小。觸摸按鍵芯片檢測到電容值大幅升高后，輸出開關信號。

本系統(tǒng)采用IQS221設計的電容式觸摸感應按鍵，該芯片有如下技術特點：(1)一個IQS221芯片可以實現(xiàn)高達45個觸摸按鍵；(2)輸出支持直接電平 Direct、BCD 編碼、SPI；(3)自動環(huán)境補償，內嵌Regulator；(4)接近感應、觸摸靈敏度可調整；(5)可以穿透絕緣面板(如塑料或玻璃等)感應觸摸。

一個按鍵控制器上可以接一個按鍵模塊，也可以接多個按鍵模塊，當接多個按鍵模塊時，按鍵控制器與鍵盤設備之間的通訊采用主動輪詢的方式，按鍵控制器發(fā)送命令的格式隨按鍵控制器與鍵盤設備的不同聯(lián)接狀態(tài)而變化。

3.3 調光驅動電路

如圖4所示是調光驅動電路部分，它接收來自串口的命令字。這些命令字接收后，經(jīng)過處理獲得PWM的參數(shù)，MCU將產生相應占空比的PWM信號。PWM經(jīng)過后一級電路處理后，輸出的是PWM有效值大小的直流信號。這個直流信號的0～10 V之間，它用于控制可調光整流器。調光整流器輸出交流信號，最終控制燈光的亮度。

一個完整的調光模塊需要EIS1、EIS2和EIS6。其中EIS1是開關控制規(guī)范，由一個 bit表示開關；EIS6是百分比，由一個8 bit的數(shù)據(jù)表示0%-100%，用于調光值的表示；EIS2是調光規(guī)范，包含如下3個子功能[4]。

Position(開關位置)：此功能決定調光執(zhí)行器的開關狀態(tài)。每次切換開關狀態(tài)或通過縱向寫入Position狀態(tài)時,調光執(zhí)行器將向總線發(fā)出一個發(fā)生請求信號，然后將狀態(tài)值以相同組地址發(fā)送。

Control(相對調光)：如圖5所示，此功能用于遞增或遞減一個調光的步進值(相對調光)。調光執(zhí)行器可利用其子功能開啟執(zhí)行器，但無關斷功能[2]。

Value(絕對調光)：如圖 6所示，此子功能可直接對調光執(zhí)行器設定目標值(絕對調光)。調光執(zhí)行器可利用其子功能對執(zhí)行器進行接通或關斷。

EIB技術和產品對于中國用戶是全新的概念和系統(tǒng)，系統(tǒng)集成商和最終用戶需要通過越來越多的實際項目來熟悉該系統(tǒng)。作為開放和集成的技術標準，EIB系統(tǒng)在中國有著良好的應用前景，將為中國的智能建筑領域同國際接軌起到推動作用。

本系統(tǒng)采用FPGA和單片機結合設計EIB的BCU部分，使得系統(tǒng)具有強大的兼容性和開放性，可通過硬件接口同樓字自控系統(tǒng)、物業(yè)管理系統(tǒng)、安防系統(tǒng)集成，符合智能大廈的發(fā)展趨勢，靈活性更強。采用FPGA的并行性，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理實時性更強。

[1]邢詒俊,龍?zhí)焱?陳富節(jié).EIB技術基本原理及應用[J].華南金融電腦應用技術，2009，6(10):57-58.

[2]EIB Handbook Series Relsease 3.0,Volume 3:3/3/7-2～3/3/7-50.

[3]郭銳,張玉潤,金毅.基于EIB協(xié)議的現(xiàn)場總線應用模塊開發(fā)[J].電子技術,2003(10):32-35.

[4]郭銳.EIB智能建筑與調光系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學碩士學位論文，2004:49-57.

[5]GOOSSENS M.The fast lane to EIB[J].EIB-proceedings,1998,27(2):33-37.

[6]OTT R.Linking EIB networks with java:The EIBlet concept[J].EIB-proceedings,2000,29(35):172-180.