CPLD在智能感應(yīng)照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張軍 劉筠筠

摘 要： 針對傳統(tǒng)LED照明開關(guān)控制模糊等缺陷，設(shè)計了CPLD智能照明控制系統(tǒng)。首先介紹采用CPLD進(jìn)行智能感應(yīng)照明控制系統(tǒng)的工作原理，分析軟硬件設(shè)計思路以及遇到的問題。實驗表明，智能控制系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)控制開關(guān)的缺陷，能夠可靠工作，實現(xiàn)照明的智能控制。

關(guān)鍵詞： CPLD； 智能控制； 節(jié)能； PWM； 驅(qū)動模塊

中圖分類號： TN91?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

能源緊缺已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)長期可持續(xù)發(fā)展的重要問題，國家已經(jīng)把能源問題提升到了影響國家安定的戰(zhàn)略高度。電力能源是目前最重要的能源形式，近些處來，隨著我國的工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人民生活水平的提高，這就造成了照明用電量的增加，尤其在用電高峰更為明顯。傳統(tǒng)的控制開關(guān)存在控制模糊等缺陷，因此采用有效智能感應(yīng)照明系統(tǒng)改善傳統(tǒng)自動開關(guān)電路的缺陷，對于節(jié)約用電具有重要的意義。

1 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計原理

本文基于CPLD的豐富的可編程軟件功能，以CPLD作為控制核心，結(jié)合相應(yīng)的外圍擴(kuò)展模塊，從而實現(xiàn)照明電燈的智能控制。CPLD智能控制系統(tǒng)會根據(jù)外界環(huán)境的光照強(qiáng)度來感知控制照明電燈的亮和滅，同時實時采集在線抽樣電壓，并進(jìn)行判斷分析，做出控制輸出信息的決策，最終進(jìn)行有效的節(jié)電照明智能控制。圖1所示為智能控制系統(tǒng)的整體框圖。從圖1中可以看出整個系統(tǒng)主要由傳感器部分、控制部分、LED驅(qū)動和照明部分組成[1]。

2 系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計

2.1 關(guān)鍵電路模塊設(shè)計

智能感應(yīng)照明系統(tǒng)的電路模塊主要包括了PWM脈沖發(fā)生器模塊、光照度檢測模塊、紅外檢測模塊、LED驅(qū)動模塊以及一些輔助模塊。

（1） PWM脈沖發(fā)生器模塊

PWM脈沖發(fā)生器的作用主要是產(chǎn)生PWM脈沖，從而驅(qū)動LED燈，該脈沖可以通過CPLD來控制。脈沖模塊采用了美國Altera公司的MAX7000，該CPLD通用性和可靠性高[2]，并且能夠進(jìn)行在線編程。PWM波形采用了Verilog HDL進(jìn)行開發(fā)，原理圖如圖2所示。

PWM的信號產(chǎn)生電路采用觸發(fā)器和計數(shù)器設(shè)計。在輸入端能夠得到一系列的具有相等幅值但是寬度不一致的脈沖；計數(shù)器主要有減一計數(shù)和周期預(yù)置計數(shù)器，觸發(fā)器主要有T觸發(fā)器、全零檢測器等。周期計數(shù)器和減一計數(shù)器采用16位計數(shù)器模塊實現(xiàn)。首先減一計數(shù)器由周期預(yù)置計數(shù)器預(yù)置初始值N，然后，分頻時鐘信號CLK控制減一計數(shù)器實現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)N的減一運算。當(dāng)計數(shù)器中的初值N遞減到0時，全0檢測器將會產(chǎn)生高電平，重新將計數(shù)器當(dāng)中的數(shù)置為N，如此不斷的循環(huán)，產(chǎn)生周期為[T=NfCLK]的觸發(fā)脈沖信號。脈沖整形電路將該觸發(fā)信號送給T觸發(fā)器FF0，如果觸發(fā)器的脈沖信號周期為T，那么在輸入端就會形成周期為2T的數(shù)字PWM信號。因此計數(shù)器的初始值N可以調(diào)節(jié)PWM的脈沖寬度[3]。

（2） 光照度檢測模塊

采用光敏電阻R來對外界環(huán)境的光線進(jìn)行采樣。該光照度檢測模塊采用的光譜響應(yīng)接近人視覺敏感區(qū)的波長。芯片ADC08032將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成1組8位數(shù)字信號。通過改變周期預(yù)置的初始值，產(chǎn)生的可控的PWM寬度來模擬外界不同的光照強(qiáng)度，從而控制LED的亮度。

（3） LED驅(qū)動模塊

傳統(tǒng)上，LED采用可調(diào)節(jié)的恒流源進(jìn)行驅(qū)動，本設(shè)計采用了PWM脈沖進(jìn)行驅(qū)動，當(dāng)LED工作在脈沖狀態(tài)下時，能夠被人眼覺察到的LED亮度是介于平均亮度和峰值亮度之間；也就是說，需要得到同樣的發(fā)光強(qiáng)度，采用脈沖電流的方式比恒流源驅(qū)動的方式電流更??；因此，這種方式能夠降低功耗，節(jié)省電能。PWM信號的驅(qū)動LED電路如圖3所示。

當(dāng)PWM處在高電平時，三極管Q1被導(dǎo)通，MOSFET的柵源電壓VGS<0，源漏極導(dǎo)通，LED點亮。反之，當(dāng)PWM處在低電平的時候，三極管Q關(guān)斷，LED燈熄滅。目前，LED燈主要采用了串聯(lián)各并聯(lián)兩種方式，而市場上成熟的LED燈采用的是1 W單粒LED，發(fā)光效率為60 lm/W，預(yù)計需要的亮度在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代表平均光照強(qiáng)度；N代表LED燈的個數(shù)；U代表LED燈的利用系數(shù)；K代表維護(hù)系數(shù)；A代表室內(nèi)面積；Φ代表光通量。

（4） 紅外線檢測模塊

本設(shè)計采用PMW周期脈沖發(fā)生器模擬了外界環(huán)境的光照強(qiáng)度，根據(jù)環(huán)境的變化自動調(diào)整LED電路的通斷，但是在晚上較暗時，沒有人行走，路燈也會發(fā)光，在一些不需要長期照亮的地方，造成電能的極大的浪費。因此，需要在系統(tǒng)中加入紅外線檢測模塊，自動判斷是否有人進(jìn)入照明的區(qū)域。紅外檢測模塊由熱釋紅外傳感器實現(xiàn)，當(dāng)無人進(jìn)入該區(qū)域的時候，紅外感應(yīng)器只能感應(yīng)到背景溫度。當(dāng)有人進(jìn)入到檢測區(qū)域時，則會感應(yīng)到背景溫度和人體溫度的差異，檢測模塊會將透過濾光晶片的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號，控制系統(tǒng)會對該電信號進(jìn)行分析，從而判斷是否發(fā)出開燈信號[4]。

2.2 設(shè)計LED燈三個主要問題

（1） 驅(qū)動電源的選取

傳統(tǒng)上驅(qū)動電源是在普通的穩(wěn)壓電源外圍加上電阻或者有源器件限流，從而能夠保持LED電流的相對穩(wěn)定。但是這種方式成本高、效率低，一般小功率的開關(guān)電源效率在70%左右，算上外部限流元件的損耗，效率會低于60%，這會使LED節(jié)能照明優(yōu)勢消失。

AP?2B320LED驅(qū)動器作為專用的電源變換器，安裝在LED燈的內(nèi)部采用220 V交流電供電，能夠串聯(lián)驅(qū)動10～40只1 W的大功率的LED燈工作，變換效率高，達(dá)到了85%以上，而且驅(qū)動器采用了封閉結(jié)構(gòu)，適合在室內(nèi)和室外使用。

（2） LED燈的連接方式

目前市場上主要采用的都是單粒1 W的LED燈，因此LED燈免不了需要進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)組合連接。單獨采用串聯(lián)或者并聯(lián)都存在一些問題：

全部串聯(lián)方式：這種方式如果出現(xiàn)了一只LED燈損壞，那么整個燈將會不亮，而且全部串聯(lián)的驅(qū)動電壓至少需要150 V，電壓過高，降低了電路的安全性[5]。

全部并聯(lián)方式：這種方式如果出現(xiàn)了開短路，那么電路當(dāng)中的電流就會不均衡，從而影響LED燈的使用壽命。

因此，由于LED燈的數(shù)量太多，單獨的串聯(lián)或者并聯(lián)都會出現(xiàn)問題，最終采用了串并混合的方式。專用的LED驅(qū)動器一般作為電流源，在多串的LED燈的外圍需要輔以均流措施，從而能夠均衡地把電流分配給每一個LED支路[6]。

（3） 散熱方式

散熱問題的解決主要依靠燈體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。按照LED的數(shù)目在Al基板上打孔，從而將LED鑲嵌到Al板上，在Al板的后面連上引腳。LED燈的外殼采用金屬材料，這樣熱量可以由Al板傳導(dǎo)到金屬外殼上，最終通過輻射和對流散去[7]。燈體的外殼應(yīng)該采用散熱片的結(jié)構(gòu)，這樣能夠在保證較大散熱面積的同時又減小LED燈的體積[8]。

3 系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計

CPLD是基于EPLD上發(fā)展起來的，它包含了可編程的邏輯宏單元、內(nèi)部連線、I/O單元，同時還集成了FIFO、雙口RAM、比較器等，具有足夠的驅(qū)動能力，能夠產(chǎn)生互補的輸入信號，提供不同的輸出方式[9]。

3.1 軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，通過Verilog HDL編程語言設(shè)計了各個模塊，主程序作為核心功能模塊調(diào)用各個功能模塊來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。該控制系統(tǒng)的主要功能中，將光照度檢測模塊產(chǎn)生的信號經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換后分成兩路：一路代表環(huán)境能見度的基本數(shù)制碼進(jìn)行比較轉(zhuǎn)換成Manchester碼，并且和紅外檢測模塊收到的信號做運算，最終產(chǎn)生LED的開關(guān)信號；另一路經(jīng)過數(shù)制變換成PWM脈沖發(fā)生器的預(yù)置數(shù)值，完成對PWM脈沖寬度的調(diào)制[10]。

3.2 基于CPLD的Manchester編碼器

在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，數(shù)字通信的過程當(dāng)中，基帶信道對傳輸信號的碼型具有嚴(yán)格的要求，為了加強(qiáng)信號抗干擾性，需要將原始的信息流轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合基帶信道傳輸?shù)木幋a，比如BPH碼、AMI碼、CMI碼等傳統(tǒng)都采用的CMI碼，也就是二進(jìn)制編碼，但是二進(jìn)制編碼對于碼間的干擾能力有限[11]。因此，本系統(tǒng)采用了BPH碼也就是Manchester碼。與其他的編碼相比，這種編碼能夠消除直流，同時具有很高的抗干擾和時鐘恢復(fù)能力，更適合在傳輸性能較差的信道當(dāng)中傳輸信息。

CPLD輸出的單一BPH碼中包含了數(shù)據(jù)信號和時鐘信號，其中時間碼被分為了等間隔的小段，這些小段表示一位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)又分為兩個部分，前半數(shù)據(jù)代表了該時間段傳送比特碼的反碼，后半個時間段代表了比特值?？梢钥吹剑總€數(shù)據(jù)碼之間都有一個跳變，從低位跳到高位用“1”表示，而從高位跳到低位用“0”表示。設(shè)計基于Quartus Ⅱ軟件平臺，并適配到具體的CPLD器件中去，比如CPLD 內(nèi)部的ROM存放了1110101010101010，則Manchester編碼器對該信息編碼的碼元為01010110011001100110011001100110。

4 結(jié) 論

LED作為新一代的節(jié)能產(chǎn)品，具有體積小、能耗低等優(yōu)點。本文提出了一種基于CPLD的智能感應(yīng)照明控制系統(tǒng)，不僅智能控制了電燈的開和斷，而且能夠根據(jù)外界光照強(qiáng)度和是否有人來調(diào)節(jié)路燈的亮度，從而真正的實現(xiàn)路燈的節(jié)能和智能控制。實驗表明，該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的工作，在當(dāng)前國家大力提倡減排節(jié)能的要求下，具有較大的研究意義。

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