密集型呼吸燈燈串設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹振華

摘要：密集型呼吸燈燈串主要用于智能庫(kù)房?jī)?nèi)的物品定點(diǎn)定位管理系統(tǒng)中指示物品的狀態(tài)或位置，最大特點(diǎn)是用量大、位置分散、連線總距離遠(yuǎn)，傳統(tǒng)做法是使用單片機(jī)控制板，定制大量指示燈接口和小指示燈板，每個(gè)需要指示的位置放一個(gè)小指示燈板，連接到單片機(jī)控制板上受控，這種方法實(shí)現(xiàn)了大量指示燈的集中、并聯(lián)控制，但是布線麻煩，布線總距離為每個(gè)位置到控制板的距離之和，大大浪費(fèi)了線材和布線時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了一款可以串聯(lián)使用、會(huì)呼吸的燈串，布線總距離為每個(gè)位置之間的距離之和，大大節(jié)約了布線長(zhǎng)度和時(shí)間，靈活易用，在工程實(shí)踐中得到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：密集型;呼吸燈;串聯(lián);并聯(lián);燈串

中圖分類(lèi)號(hào)：TG399? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）32-0220-02

1 概述

1.1 密集型指示燈使用場(chǎng)景

在智能庫(kù)房管理系統(tǒng)中，常見(jiàn)的物品存放和管理設(shè)備有智能密集架系統(tǒng)、智能貨架系統(tǒng)、立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)等，物品被規(guī)則地放在密集架、貨架或旋轉(zhuǎn)貨架上，人們?cè)谌〕龌蛘邭w還物品時(shí)，需要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的位置信息，協(xié)助用戶快速準(zhǔn)確的操作物品，這時(shí)候，指示燈就是一種成本最低，效果最明顯的提示方法之一，當(dāng)需要在某個(gè)位置存取物品時(shí)，點(diǎn)亮該位置的指示燈，用戶能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地看到燈亮信息，然后直奔主題。但是在一個(gè)庫(kù)房里，往往有成百上千的位置需要指示，這就需要成百上千的指示燈需要布設(shè)，數(shù)量龐大，合理的規(guī)劃指示燈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有利于縮短線纜長(zhǎng)度，降低施工難度，提高作業(yè)效率。

1.2 密集型指示燈布設(shè)常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

常用指示燈布設(shè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種，星型拓?fù)浜途€性拓?fù)?。由于指示燈的控制需要單片機(jī)參與，為了降低設(shè)計(jì)成本，往往采用一個(gè)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)若干指示燈的方法，也就是一塊電路板上設(shè)計(jì)大量指示燈控制接口，如圖1所示為作者設(shè)計(jì)的80路LED指示燈控制電路板，每個(gè)接口分別控制一盞燈的狀態(tài)，這就是最常用的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]，如圖2所示。

圖2中，黑色實(shí)體長(zhǎng)方形為主控電路板，電路板內(nèi)有54個(gè)分別控制54個(gè)指示燈的接口，每個(gè)接口需要連接2根線到指示燈，連接指示燈的正負(fù)極，可以控制指示燈的亮滅。那么需要到每個(gè)指示燈線纜長(zhǎng)度為中心節(jié)點(diǎn)到每個(gè)指示燈距離的和，如圖1中取第三行為例，設(shè)每個(gè)指示燈的之間的距離為L(zhǎng)，則在不考慮電路板大小的情況下，該行布線總長(zhǎng)為21L，不考慮層間距的情況下6行燈的總布線距離為126L，當(dāng)考慮行間距時(shí)，總布線距離遠(yuǎn)大于126L，這個(gè)布線距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燈與燈之間的總距離48L這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是每個(gè)指示燈之間不互相干擾，但是總布線距離太長(zhǎng)，不便于工程實(shí)施.

1.3 呼吸燈效果難實(shí)現(xiàn)

集中控制式主控板，受單片機(jī)IO口資源限制，很難保證指示燈能用IO口直接驅(qū)動(dòng)，往往采用TM1628、TM1638之類(lèi)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)亮、滅、閃操作容易實(shí)現(xiàn)[2]，但是要想實(shí)現(xiàn)像呼吸燈一樣的靈活多樣的效果比較難，而且用這些集中控制芯片，主要實(shí)現(xiàn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

2 密集型呼吸燈燈串設(shè)計(jì)

微控制器價(jià)格的不斷降低，為指示燈獨(dú)立控制提供了可能性，PWM技術(shù)為呼吸燈效果的實(shí)現(xiàn)提供了支持，因此，基于低成本微控制器的呼吸燈成本可控，技術(shù)可行，本文采用STM公司的低成本微處理器實(shí)現(xiàn)了一款基于串口的智能呼吸燈燈串，可以無(wú)限級(jí)聯(lián)，使用效果非常好。

2.1呼吸燈控制板設(shè)計(jì)

呼吸燈效果，往往采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)，控制IO口引腳打高低電平時(shí)邊沿變化斜率，從而是被控指示燈具有慢慢變亮、慢慢變暗的效果，就像人的呼吸節(jié)奏一樣，從而稱(chēng)之為呼吸燈，因此要想實(shí)現(xiàn)呼吸燈效果，MCU需要具備PWM功能，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3中，IN和OUT兩個(gè)段子為輸入和輸出接線端子，輸入接單片機(jī)的串口輸入引腳，接收串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，輸出接串口輸出引腳，向外發(fā)送數(shù)據(jù)，由于連個(gè)端子無(wú)須輸入輸出雙工功能，因此可以共同使用同一個(gè)串口模塊。當(dāng)串口模塊接收到數(shù)據(jù)后，查看本模塊的指示燈是否需要點(diǎn)亮或者關(guān)閉，通過(guò)PWM實(shí)現(xiàn)相應(yīng)指示燈呼吸燈亮滅效果后，將剩余數(shù)據(jù)通過(guò)輸出接口輸出，從而可以實(shí)現(xiàn)基于串口的信息傳遞，實(shí)物圖如圖4所示。

2.2 基于呼吸燈的燈串實(shí)現(xiàn)

在2.1節(jié)中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于串口的智能燈板，改燈板可以接收指令、控制指示燈的亮滅呼吸燈效果、發(fā)送指令給輸出接口等功能，那么在軟件設(shè)計(jì)上稍加設(shè)計(jì)，就能實(shí)現(xiàn)燈串效果，本文以54個(gè)指示燈的燈串設(shè)計(jì)為例說(shuō)明。

2.2.1硬件方面

將54個(gè)指示燈板用3PIN連線收尾相連，形成54個(gè)指示燈組成的燈串，這樣54個(gè)指示燈總計(jì)長(zhǎng)度為53L，比1.2節(jié)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中總長(zhǎng)126L的長(zhǎng)度大大縮短，在線纜制作方面，第一個(gè)燈板的串口連接控制器，比如電腦的串口，用電腦串口控制54個(gè)指示燈的亮滅。

2.2.2軟件方面

要實(shí)現(xiàn)54個(gè)燈的控制，每個(gè)指示燈用一個(gè)位標(biāo)識(shí)，則需要54個(gè)位，合計(jì)使用7個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)。

A：電腦命令字：電腦端的控制命令中，包含7個(gè)字節(jié)的命令字，依次排列后，形成56個(gè)位列，后兩個(gè)位空閑不用，前54個(gè)位為有效位，控制燈串中第幾個(gè)燈亮，就將位列中第幾個(gè)位設(shè)為1，否則設(shè)為0，比如讓奇數(shù)個(gè)位置的燈亮，其他滅，則串口發(fā)出的命令字段為：0xAAAAAAAAAAAAAA，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制表示為：

0B101010101010101010101010101010101010101010101010101010，可以看到，從左到右，“1”和要亮的燈的編號(hào)對(duì)應(yīng)。

B：燈板部分軟件：燈板沒(méi)有地址設(shè)置，因此燈板無(wú)法知道自己是第幾個(gè)燈板，收到完整的命令幀后，無(wú)法知道自己與第幾個(gè)位的數(shù)值對(duì)應(yīng)，因此必須讓燈板知道哪個(gè)位是屬于自己的，因此本文設(shè)計(jì)使用“用頭掐頭”的方式傳遞信息。

“用頭”指的是每個(gè)燈板收到IN口傳來(lái)的串口數(shù)據(jù)時(shí)，第一個(gè)位的信息就表示該燈板指示燈的動(dòng)作指令，比如第一位收到的是1，則點(diǎn)亮指示燈，否則是0就熄滅指示燈。

“掐頭”是指燈板根據(jù)收到的指令控制完指令后，將最高位掐掉，也就是收到的指令左移一位后，傳遞給下一個(gè)燈板。

C：燈串控制邏輯：

電腦發(fā)出指令為：

0B101010101010101010101010101010101010101010101010101010;

第一個(gè)燈板收到：

0B101010101010101010101010101010101010101010101010101010;最高位為1，“用頭”則點(diǎn)亮指示燈，然后掐頭，發(fā)出新的指令給第二個(gè)燈板。

第二個(gè)燈板收到：

0B010101010101010101010101010101010101010101010101010100;最高位為0，“用頭”則熄滅指示燈，然后掐頭，發(fā)出新的指令給第三個(gè)燈板。

第三個(gè)燈板收到：

0B101010101010101010101010101010101010101010101010101000;最高位為1，“用頭”則點(diǎn)亮指示燈，然后掐頭，發(fā)出新的指令給第四個(gè)燈板，依次類(lèi)推，所有的指示燈都有與自己對(duì)應(yīng)的位，因此可以正確地控制每個(gè)指示燈。

2.3 燈串?dāng)U展性

由于燈串中的每個(gè)燈板軟件和硬件結(jié)構(gòu)都是一樣的，唯一不用點(diǎn)在與接口輸入數(shù)據(jù)的不通，因此可擴(kuò)展型大大增加，一個(gè)54節(jié)點(diǎn)的燈串，只要在尾部字節(jié)掛接其他燈板，然后在控制端發(fā)送更多位數(shù)的控制指令，就能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)更多數(shù)目指示燈燈串的效果;當(dāng)在第N和第N+1個(gè)燈串中間加入多個(gè)指示燈節(jié)點(diǎn)時(shí)，原有指示燈節(jié)點(diǎn)無(wú)須改變，只要將第N和第N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)的連線去掉，然后把預(yù)插入的節(jié)點(diǎn)串進(jìn)去就可以了，由此可見(jiàn)，這種燈串的擴(kuò)展性極好。

3 呼吸燈燈串拓?fù)浞治?/p>

燈串，顧名思義就是直接把燈串聯(lián)起來(lái)，如圖5所示，主控制器放在燈串的一頭，然后順序?qū)⑷绻麄€(gè)燈板收尾相連，就組成了燈串。按照線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布設(shè)，建設(shè)燈與燈之間的距離仍為L(zhǎng)，則54個(gè)燈板的總布線長(zhǎng)度為54L，該布線方式較1.2節(jié)中星型布線總長(zhǎng)度減少了數(shù)倍，大大降低了施工總量和難度。

該呼吸燈燈串產(chǎn)品在昆山信德佳電氣科技有限公司的智能密集架系統(tǒng)中大量使用，實(shí)踐證明，以串口數(shù)據(jù)傳遞的思路設(shè)計(jì)的呼吸燈燈串硬件是低成本高可靠的距離可調(diào)燈串方案，“用頭掐頭”的命令字組織方案是可靠高效的軟件設(shè)計(jì)方案，整體設(shè)計(jì)合理、使用方面、成本較低，在密集架系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] https：//baike.baidu.com/item/拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)/1488219？fr=aladdin. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). 百度文庫(kù).

[2] http：//www.titanmec.com/index.php/product/viewlist/typeid/88.html.TM1638芯片詳細(xì)手冊(cè). 深圳市天微電子股份有限公司，2018.06.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】