無線智能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計

隨著綠色照明與智能家居日益受到關(guān)注，短距離無線通信技術(shù)也逐漸開始應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域。針對于此，本文設(shè)計并完成了基于TI CC430 系列和UCC28810 的無線LED 照明系統(tǒng)，旨在提供一種新穎、高效以及智能化的無線LED 照明系統(tǒng)解決方案。

1. 無線LED 照明系統(tǒng)的簡介

照明系統(tǒng)與人民生活息息相關(guān)，但目前絕大部分照明系統(tǒng)都是利用各類普通開關(guān)對燈具進(jìn)行打開和關(guān)閉，燈光的亮度調(diào)節(jié)也是通過普通的調(diào)光開光進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。每次進(jìn)行照明系統(tǒng)的操作須走到開關(guān)處才能完成，且一個開關(guān)一般只對應(yīng)一路燈具，導(dǎo)致需要安裝很多開關(guān)，因此非常有必要設(shè)計一種集調(diào)光和開關(guān)一體的無線遙控發(fā)射接收裝置以提升照明系統(tǒng)的智能化。這將有效地克服傳統(tǒng)有線控制的弊端，減少線路布局，并使人們可自由的在任何地方都可對照明系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。基于這種需求，本文設(shè)計了無線LED 照明系統(tǒng)的解決方案，具有非常豐富的功能。具體來說有以下幾種功能：

1、集中控制和多點操作的功能;

2、軟啟動功能：開燈時，燈光由暗漸亮，關(guān)燈時，燈光由亮漸暗。避免大電流沖擊，保護(hù)照明系統(tǒng)，延長使用壽命;

3、燈光明暗調(diào)節(jié)功能：調(diào)節(jié)不同燈光的亮度，操作方便;

4、全開全關(guān)和記憶功能;

5、定時控制功能;

6、亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié);

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案設(shè)計

本文設(shè)計采用了TI 的CC430 無線通信平臺，該平臺融合了基于16Bit 的超低功耗MSP430 內(nèi)核 以及業(yè)界領(lǐng)先的不足1GHz 的CC1101 RF 收發(fā)器之上。完美的結(jié)合實現(xiàn)了獨特的低功耗/高性能組合與前所未有的高集成度，帶來更為先進(jìn)的高選擇性與高阻塞性能，確保即使在噪聲環(huán)境下也能實現(xiàn)可靠通信。能夠充分利用其高達(dá)25MHz 的峰值執(zhí)行性能，且功耗僅為160uA/MHz。針對基于CC430 的設(shè)備，TI 提供了種類豐富的MSP430 MCU 外設(shè)集，如12-Bit 的ADC、LCD驅(qū)動以及比較器等高性能數(shù)字與模擬外設(shè)。此外，還具有AES-128 硬件安全模塊確保通信的安全性。

無線LED 照明系統(tǒng)的整體框圖如圖1 所示。其中控制端部分設(shè)計為采用雙節(jié)AA 電池供電的

手持式遙控模塊，其基于CC430F6137，帶有段式LCD 驅(qū)動，豐富的I/O 口資源，以及能夠構(gòu)建觸摸功能的比較器;而接收端則基于CC430F5137，其帶有12-Bit 的 ADC 以及多通道的PWM 模塊。通過在控制端CC430F6137 的比較器B 上構(gòu)建觸摸滑條與按鍵功能，對滑條的觸摸位置進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)換為PWM的占空比，通過雙邊的RF 模塊發(fā)送/接收相應(yīng)的調(diào)制參數(shù)，再由接收端CC430F5137 產(chǎn)生調(diào)節(jié)LED 燈亮度的PWM信號，對驅(qū)動模塊UCC28810 進(jìn)行調(diào)制，如圖2所示。

3. 硬件電路設(shè)計

3.1 RF 模塊硬件電路設(shè)計

CC430 的射頻模塊使用的是業(yè)界領(lǐng)先的不足1GHz 的CC1101 RF 收發(fā)器，該部分是基于RF頻率的直接合成，其射頻合成器包括一個完整芯片的LC-VCO 和一個對接模式的混頻器進(jìn)行頻率合成。該射頻的接收單元將RF 信號通過低噪聲放大器(LNA)進(jìn)行前置放大，再對其中頻信號進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)解調(diào)以及同步包等工作。CC430 支持的頻率范圍為：300MHz~348MHz;389MHz~464MHz;779MHz~928MHz;在本設(shè)計中使用的是433MHz 的載波頻率，鑒于應(yīng)用場合其要求的傳輸速率較低，因此選用的是3.2Kbps;并通過PATABLE 對輸出功率進(jìn)行調(diào)整，滿足不同的距離需求。

RF 模塊的硬件電路在整個系統(tǒng)設(shè)計中尤為重要，如圖3 所示。圖中的C5， C9， L3 以及L8形成一個平衡轉(zhuǎn)換器，用以將CC430 上的差分端口RF_N/RF_P 平衡電路轉(zhuǎn)換成單端不平衡的RF 信號，方便將振子流過電纜屏蔽層外的高頻電流截斷。圖中的L5，C10 和L4 構(gòu)成了帶通濾波器;L2，L6 和C8 構(gòu)成低通濾波器。在本設(shè)計中RF 的天線采用的是鞭狀天線或者陶瓷天線。

3.2 觸摸滑條的硬件電路構(gòu)建

在本設(shè)計中，控制端部分為手持式遙控模塊。其設(shè)計的人機(jī)交互界面主要是LCD 顯示以及觸摸按鍵。其中將觸摸滑條的功能用于調(diào)節(jié)LED 的亮度，是系統(tǒng)中較為形象與新穎的設(shè)計之一。其充分利用了MSP430 的自身資源特性，在CC430F6137集成的比較器COM_B 以及PCBLayout 的傳感電容上，構(gòu)建了基于弛張振蕩方式(RO)的觸摸按鍵功能，由于在COMP_B 中自帶有REF 參考電壓配置網(wǎng)絡(luò)，因此無需像COMP_A 那樣使用外部硬件方式實現(xiàn)參考電壓網(wǎng)絡(luò)。其原理如圖4 所示，主要通過TImerA 測量RC 振蕩電路在固定時間內(nèi)的振蕩次數(shù)，當(dāng)人手觸摸在傳感電容上，會改變其自身電容值，使得對應(yīng)的振蕩次數(shù)發(fā)生明顯變化，以此來判斷觸摸/非觸摸的狀態(tài)。構(gòu)建一個4/5 級觸摸滑條與2 個觸摸按鍵。

3.3 傳感器硬件電路設(shè)計

光敏傳感器的使用使得LED 照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亮度自調(diào)節(jié)功能，硬件電路如圖5 所示。光敏傳感器使用的是光敏電阻，因其有著良好的光電特性以及價格優(yōu)勢，非常適合于光強檢測場合的使用。系統(tǒng)中主要通過對Vo 電壓的檢測，反映光強的變化，進(jìn)而對PWM進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制。

4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 RF 模塊實現(xiàn)

在整個系統(tǒng)中，RF 模塊是通信傳輸?shù)臉蛄海p邊都須進(jìn)行協(xié)議相同的RF 軟件模塊設(shè)計。其發(fā)送模式和接收模式的數(shù)據(jù)包主要通過FIFO 來進(jìn)行處理，一幀的格式如圖6 所示：

前導(dǎo)碼

同步字

可選長度位

可選地址位

數(shù)據(jù)段

可選CRC 字

在設(shè)計時采用固定幀長度模式。通過對寄存器PKTLEN(=

TxBuffer[0] = PACKET_LEN;

TxBuffer[1] = host_address;

TxBuffer[2] = slave_address;

TxBuffer[3] = mode;

TxBuffer[4] = pwm_data;

TxBuffer[5] = TxBuffer[0]+TxBuffer[1]+TxBuffer[2]+TxBuffer[3]+TxBuffer[4];

在發(fā)送時，在TX FIFO 中的數(shù)據(jù)段包括數(shù)據(jù)長度，主機(jī)地址，從機(jī)地址，控制模式，控制PWM參數(shù)，數(shù)據(jù)段CRC 校驗。其中，主機(jī)地址標(biāo)識了控制端的地址;從機(jī)地址包括兩種地址：廣播地址與獨立地址，主要是用于集中控制與多點操作?？刂颇Ｊ教峁┝丝蛇x的模式選擇，控制PWM參數(shù)用于LED 亮度調(diào)節(jié)。

在接收時，RF 的解調(diào)器和數(shù)據(jù)包處理器將尋找一個有效的前導(dǎo)和同步字。當(dāng)找到后，解調(diào)器將獲得前導(dǎo)位和字同步，然后對接收的地址信息進(jìn)行比照，首先判斷數(shù)據(jù)包是否來自控制端，然后響應(yīng)含有廣播地址或者本機(jī)地址信息的數(shù)據(jù)。其發(fā)射/接收的流程圖如圖7。

在對射頻寄存器的配置過程中，主要通過SmartRFstudio 來進(jìn)行設(shè)置，輸出RFRegSettng.c 作為射頻的配置文件。

4.2 觸摸滑條的軟件設(shè)計

觸摸滑條是由多個觸摸按鍵組合而成，通過為每個觸摸按鍵分配多個位置，可以實現(xiàn)簡單的觸摸滑條功能。在設(shè)計通過4~5 個按鍵構(gòu)成一個觸摸滑條，如在每個觸摸按鍵上創(chuàng)建8/16 個位置，則可提供32/64 個單獨步階檢測。其識別的步階數(shù)是對電容變化量的反映，電容變化幅度越大，測量的Delta 值越大。通過設(shè)置一個系統(tǒng)能夠達(dá)到最大響應(yīng)的上限值，用該最大的Delta 值除以每個按鍵所需的步階數(shù)，再由每個按鍵經(jīng)過加權(quán)計算后將產(chǎn)生1 至32/64 步階的線性結(jié)果，如圖。

4.2 控制端/接收端軟件設(shè)計

控制端/接收端軟件的流程圖如圖9 所示，其中虛線上方為控制端CC430F6137 的軟件設(shè)計，在Stand By 模式時保持MSP430 的低功耗模式，以滿足控制端遙控器對能耗的要求。通過對模式選擇的操作實現(xiàn)集中控制和多點操作，而觸摸滑條的處理通過將Position 轉(zhuǎn)換為PWM由RF發(fā)送至接收端CC430F5137。接收端則處理來自控制端的數(shù)據(jù)包，對LED 照明進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，或自動調(diào)節(jié)。本設(shè)計的軟件采用C 語言編寫，整個程序包括的子模塊有：模式選擇模塊，觸摸滑條檢測模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊，PWM轉(zhuǎn)換模塊，傳感器檢測模塊等幾個部分。

5. 總結(jié)

本文主要描述了以CC430 為控制核心的無線LED 照明系統(tǒng)的設(shè)計。整個系統(tǒng)經(jīng)過軟/硬件設(shè)計與調(diào)試使得功能基本得到實現(xiàn)，系統(tǒng)實際硬件電路如圖10 所示。實測過程中能夠有效地進(jìn)行集中控制和多點單獨控制，定時控制，自動調(diào)光等預(yù)設(shè)功能，滿足當(dāng)前市場對此類解決方案的功能要求。

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