基于XY·CN－PDC總線的彩色LED控制器設(shè)計(jì)

黃文愷 朱靜

(廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，廣州 510006)

隨著電子通訊設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)各種低端電子設(shè)備的低成本管理越來越是迫切需求。這樣的設(shè)備數(shù)量繁多、信息量少，但要求比較快的反應(yīng)速度。雖然各種高速通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，但是，對(duì)于低端設(shè)備來說，其通訊介質(zhì)復(fù)雜而昂貴，不適合采用［1－5］。而在裝飾性的彩色LED領(lǐng)域，其數(shù)據(jù)傳輸不同于大型LED屏的集中式傳輸與控制，其特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)分散范圍較廣，安裝比較復(fù)雜。在裝飾性的彩色LED控制領(lǐng)域大多采用RS485總線等方式將各個(gè)節(jié)點(diǎn)控制連接起來，在現(xiàn)場安裝時(shí)，除了要布電力線，還需要布數(shù)據(jù)線，導(dǎo)致布線異常復(fù)雜。為了解決這一難題，電力線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)無疑是比較理想的選擇。

1 XY·CN－PDC技術(shù)簡介

鼎信通訊有限公司開發(fā)的XY·CN總線協(xié)議包括XY·CN－PDC、XY·CN－IMT、XY·CN－MPI、XY·CN－MMS四個(gè)子集，其中XY·CN－PDC可供電分布式控制總線是一種兩線制、無極性可供電的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，具有總線供電、設(shè)備容量大、通訊速率高、布線方便、抗干擾能力很強(qiáng)的特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)的總線可以提供達(dá)600 mA的電流，大電流總線可提供達(dá)1 800 mA的電流［6－8］。這種總線的專用芯片有XY100和XY001，它的應(yīng)用技術(shù)層面低、成本較低、穩(wěn)定性好，開發(fā)的初衷主要用于智能抄表系統(tǒng)，用于取代歐洲廣泛應(yīng)用的M－BUS標(biāo)準(zhǔn)。該總線不但涵蓋了RS－485和M－BUS總線的全部優(yōu)點(diǎn)，而且適合運(yùn)用在總線控制系統(tǒng)及需二線制、總線供電的通信系統(tǒng)中，裝飾性的彩色LED燈系統(tǒng)尤其適合。

XY·CN－PDC總線系統(tǒng)的技術(shù)具有以下特點(diǎn):

1)通信速率高速穩(wěn)定，在4.8 kb/s時(shí)，可以達(dá)到2 km的可靠通信距離，而且還可以掛接400多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，通過XY·CN總線可向節(jié)電設(shè)備提供0～10 mA持續(xù)的工作電流;一般靜態(tài)功耗，一般低于150 uA，典型值為120 uA;通過總線可向單個(gè)從設(shè)備提供10～30 V、500 mA短時(shí)的持續(xù)電流。

2)具有節(jié)點(diǎn)容量大，標(biāo)準(zhǔn)總線節(jié)點(diǎn)的容量有256，兩級(jí)總線是25 600;總線可以為設(shè)備提供持續(xù)電源;中斷上報(bào)的功能，有任意節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的上報(bào)是50 ns的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等特點(diǎn)。

3)備電系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需要在控制器上完成，主機(jī)備電整個(gè)系統(tǒng);通過隔離設(shè)備可保證在遭雷擊時(shí)仍能可靠的工作。

4)具有設(shè)備自動(dòng)登錄等功能，可容納很多種設(shè)備，預(yù)留了多種通信協(xié)議，擴(kuò)展很方便;同時(shí)提供配套的主站專用集中控制芯片XY100，可與計(jì)算機(jī)USB、RS232等接口連接，系統(tǒng)兼容性及擴(kuò)展性好;芯片電路成本也很低。

5)能夠?yàn)橄陆釉O(shè)備供電。

6)抗干擾性強(qiáng)，因?yàn)樗捎玫氖呛懔鞯碾娏鳝h(huán)通訊方式。

7)安裝使用方便，都是使用普通的雙絞線，無極性的二線制安裝接線。

8)布線簡單方便，允許串行或星型等任意連接分支的布線。

2 基于XY·CN－PDC的彩色LED控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

XY·CN－PDC系統(tǒng)總線采用的是24 V供電，上位AVR單片機(jī)可直接用穩(wěn)壓電源提供的5 V供電，而節(jié)點(diǎn)AVR單片機(jī)的5 V電源系由XY·CN總線的24 V降壓后得到。系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由上位AVR單片機(jī)發(fā)出，經(jīng)過XY·CN總線，即經(jīng)由XY100芯片將數(shù)據(jù)調(diào)制到電力線，并傳輸?shù)絏Y001，然后在節(jié)點(diǎn)的Atmega16單片機(jī)上接收，最后控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備的彩色LED顯示。XY·CN－PDC總線采用的是半雙工模式，而在本設(shè)計(jì)中僅使用了單向的傳輸控制功能，無需數(shù)據(jù)回傳。

原理框圖如圖1所示。

圖1 整體硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 通訊模塊

2.2.1 XY001芯片

XY001芯片是XY·CN總線設(shè)備端通信 (從機(jī))專用集成電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)功能，總線信號(hào)時(shí)經(jīng)過外部橋式整流器BUS1直接輸入芯片里面;芯片的RXD、TXD信號(hào)可直接輸入到單片機(jī)，或通過光耦和單片機(jī)連接;VCC輸入總線9～35 V、20 mA電源。+5 V為節(jié)點(diǎn)提供5V±5%、10 mA的電源。接收的時(shí)候，總線信號(hào)經(jīng)外部橋式整流器變換極性，經(jīng)過片內(nèi)的帶通濾波器再經(jīng)過信號(hào)解調(diào)器，開漏極輸出RXD信號(hào)。發(fā)送時(shí)，TXD信號(hào)先經(jīng)過一次調(diào)制，再經(jīng)過收發(fā)沖突控制電路，接著經(jīng)過二次調(diào)制將TXD的TTL電平信號(hào)調(diào)制到總線上。外圍電路圖如圖2所示。

圖2 XY001芯片及外圍電路圖

2.2.2 XY100芯片

XY100芯片是XY·CN總線主機(jī)專用集成電路，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)。由于主機(jī)電路比較復(fù)雜，為了提高主機(jī)的抗干擾能力，控制器將總線的驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隔離。TXD、RXD收發(fā)控制經(jīng)光耦后輸入芯片，系統(tǒng)采用了12～36 V的電源。

數(shù)據(jù)發(fā)送:通過RT/CON控制打開輸出的控制，發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)送緩存，調(diào)制驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)USH、BUSL信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出三極管完成數(shù)據(jù)的滿幅電壓調(diào)制。

數(shù)據(jù)接收:通過RT/CON控制，關(guān)閉外接輸出調(diào)制對(duì)管，打開接收解調(diào)器，同時(shí)提供總線6.5 V的30 mA電流環(huán)調(diào)制電壓，設(shè)備的電流調(diào)制信號(hào)經(jīng)過接收解調(diào)器和接收緩存由RXD輸出接收的電平信號(hào)。

外圍電路圖如圖3所示。

圖3 XY100芯片外圍電路

2.3 彩色LED控制模塊

彩色LED控制模塊選用了TM1804芯片，該芯片是三通道LED驅(qū)動(dòng)控制專用芯片，內(nèi)部已經(jīng)集成有MCU數(shù)字接口，數(shù)據(jù)鎖存器和LED高壓驅(qū)動(dòng)等電路。通過外部MCU控制可以實(shí)現(xiàn)芯片單獨(dú)輝度、級(jí)聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)戶外大屏地彩色點(diǎn)陣發(fā)光的控制［9］。

TM1804采用高壓功率CMOS工藝，輸出口耐壓為24 V，串行接口級(jí)聯(lián)。內(nèi)置RC震蕩并根據(jù)數(shù)據(jù)線信號(hào)來時(shí)鐘同步，在接受完本單元的數(shù)據(jù)后，自動(dòng)將后續(xù)數(shù)據(jù)整形后，再由數(shù)據(jù)輸出端發(fā)送出去。上電復(fù)位內(nèi)置，PWM控制端可以實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)節(jié)，掃描頻率將大于或等于400 hz/s，通過一根信號(hào)線即可完成數(shù)據(jù)的接收和解碼。若刷新速率為30幀/s時(shí)，低速模式下級(jí)聯(lián)可以大于512點(diǎn)。

圖4 芯片TM1804的管腳定義

表1 芯片TM1804的管腳功能

TM1804采用了單線通訊方式，歸零碼的方式發(fā)送信號(hào)。當(dāng)芯片上電復(fù)位后，接收DIN傳來的數(shù)據(jù)，接收達(dá)24 bit后，D0端口開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，為下一個(gè)芯片提供輸入數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，D0口一直是被拉低的。這時(shí)候芯片將不再接受新的數(shù)據(jù)，芯片OUTR、OUTB、OUTG三個(gè)PWM輸出口根據(jù)接收到的24bit數(shù)據(jù)，將發(fā)出不同占空比的信號(hào)，該信號(hào)周期在4 ms左右。若DIN端輸入信號(hào)為RESET信號(hào)，此時(shí)芯片會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)顯示;在此信號(hào)結(jié)束后重新接收新的數(shù)據(jù)。芯片接受完開始的24bit數(shù)據(jù)后，將會(huì)通過D0轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

芯片運(yùn)用的是自動(dòng)整形轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，使芯片的級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)不受傳送信號(hào)的限制，僅受限刷屏速度。

將上述部分整合和連接，即組成基于XY·CN－PDC總線的彩色LED控制器。

3 測試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，分別搭建了一套R(shí)S485總線和一套XY·CN－PDC總線測試系統(tǒng)進(jìn)行測試和對(duì)比［10］。測試過程中盡量模擬真實(shí)的使用環(huán)境，采用相同的線纜進(jìn)行連接，在兩棟樓宇之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為測試抗干擾能力，中途經(jīng)過一座110 kV的變電站。發(fā)送端每秒發(fā)送50幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)為10個(gè)字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)據(jù)。當(dāng)接收端的丟幀率大于或等于2%時(shí)，視為通訊失敗，此時(shí)的測出的距離為最遠(yuǎn)距離。測試結(jié)果如表2所示。

表2 兩種總線不同速率的最大傳輸距離

綜上所述，基于XY·CN總線的LED控制電路可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的布線，且抗干擾能力較強(qiáng)，性能穩(wěn)定。由于數(shù)據(jù)與電力合并傳輸，可以減少布線，適用于某些特殊的應(yīng)用場合。

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