張軍 劉筠筠

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)LED照明開(kāi)關(guān)控制模糊等缺陷，設(shè)計(jì)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(jì)思路以及遇到的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，智能控制系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)的缺陷，能夠可靠工作，實(shí)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(dòng)模塊

中圖分類(lèi)號(hào)： TN91?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題，國(guó)家已經(jīng)把能源問(wèn)題提升到了影響國(guó)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(lái)，隨著我國(guó)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(kāi)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(dòng)開(kāi)關(guān)電路的缺陷，對(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)照明電燈的智能控制。CPLD智能控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)外界環(huán)境的光照強(qiáng)度來(lái)感知控制照明電燈的亮和滅，同時(shí)實(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)主要由傳感器部分、控制部分、LED驅(qū)動(dòng)和照明部分組成[1]。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵電路模塊設(shè)計(jì)

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(cè)模塊、紅外檢測(cè)模塊、LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)LED燈，該脈沖可以通過(guò)CPLD來(lái)控制。脈沖模塊采用了美國(guó)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(kāi)發(fā)，原理圖如圖2所示。

PWM的信號(hào)產(chǎn)生電路采用觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)。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(jì)數(shù)器主要有減一計(jì)數(shù)和周期預(yù)置計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器主要有T觸發(fā)器、全零檢測(cè)器等。周期計(jì)數(shù)器和減一計(jì)數(shù)器采用16位計(jì)數(shù)器模塊實(shí)現(xiàn)。首先減一計(jì)數(shù)器由周期預(yù)置計(jì)數(shù)器預(yù)置初始值N，然后，分頻時(shí)鐘信號(hào)CLK控制減一計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)N的減一運(yùn)算。當(dāng)計(jì)數(shù)器中的初值N遞減到0時(shí)，全0檢測(cè)器將會(huì)產(chǎn)生高電平，重新將計(jì)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(hào)。脈沖整形電路將該觸發(fā)信號(hào)送給T觸發(fā)器FF0，如果觸發(fā)器的脈沖信號(hào)周期為T(mén)，那么在輸入端就會(huì)形成周期為2T的數(shù)字PWM信號(hào)。因此計(jì)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(cè)模塊

采用光敏電阻R來(lái)對(duì)外界環(huán)境的光線進(jìn)行采樣。該光照度檢測(cè)模塊采用的光譜響應(yīng)接近人視覺(jué)敏感區(qū)的波長(zhǎng)。芯片ADC08032將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成1組8位數(shù)字信號(hào)。通過(guò)改變周期預(yù)置的初始值，產(chǎn)生的可控的PWM寬度來(lái)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(dòng)模塊

傳統(tǒng)上，LED采用可調(diào)節(jié)的恒流源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用了PWM脈沖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)LED工作在脈沖狀態(tài)下時(shí)，能夠被人眼覺(jué)察到的LED亮度是介于平均亮度和峰值亮度之間；也就是說(shuō)，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(dòng)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(hào)的驅(qū)動(dòng)LED電路如圖3所示。

當(dāng)PWM處在高電平時(shí)，三極管Q1被導(dǎo)通，MOSFET的柵源電壓VGS<0，源漏極導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮。反之，當(dāng)PWM處在低電平的時(shí)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(chǎng)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(jì)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(gè)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(cè)模塊

本設(shè)計(jì)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(dòng)調(diào)整LED電路的通斷，但是在晚上較暗時(shí)，沒(méi)有人行走，路燈也會(huì)發(fā)光，在一些不需要長(zhǎng)期照亮的地方，造成電能的極大的浪費(fèi)。因此，需要在系統(tǒng)中加入紅外線檢測(cè)模塊，自動(dòng)判斷是否有人進(jìn)入照明的區(qū)域。紅外檢測(cè)模塊由熱釋紅外傳感器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)無(wú)人進(jìn)入該區(qū)域的時(shí)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(cè)區(qū)域時(shí)，則會(huì)感應(yīng)到背景溫度和人體溫度的差異，檢測(cè)模塊會(huì)將透過(guò)濾光晶片的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行分析，從而判斷是否發(fā)出開(kāi)燈信號(hào)[4]。

2.2 設(shè)計(jì)LED燈三個(gè)主要問(wèn)題

（1） 驅(qū)動(dòng)電源的選取

傳統(tǒng)上驅(qū)動(dòng)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(duì)穩(wěn)定。但是這種方式成本高、效率低，一般小功率的開(kāi)關(guān)電源效率在70%左右，算上外部限流元件的損耗，效率會(huì)低于60%，這會(huì)使LED節(jié)能照明優(yōu)勢(shì)消失。

AP?2B320LED驅(qū)動(dòng)器作為專(zhuān)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(dú)采用串聯(lián)或者并聯(lián)都存在一些問(wèn)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(gè)燈將會(huì)不亮，而且全部串聯(lián)的驅(qū)動(dòng)電壓至少需要150 V，電壓過(guò)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(kāi)短路，那么電路當(dāng)中的電流就會(huì)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(dú)的串聯(lián)或者并聯(lián)都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，最終采用了串并混合的方式。專(zhuān)用的LED驅(qū)動(dòng)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(gè)LED支路[6]。

（3） 散熱方式

散熱問(wèn)題的解決主要依靠燈體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。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(guò)輻射和對(duì)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(shí)又減小LED燈的體積[8]。

3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

CPLD是基于EPLD上發(fā)展起來(lái)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(shí)還集成了FIFO、雙口RAM、比較器等，具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，能夠產(chǎn)生互補(bǔ)的輸入信號(hào)，提供不同的輸出方式[9]。

3.1 軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)Verilog HDL編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊，主程序作為核心功能模塊調(diào)用各個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)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(cè)模塊產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換后分成兩路：一路代表環(huán)境能見(jiàn)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(cè)模塊收到的信號(hào)做運(yùn)算，最終產(chǎn)生LED的開(kāi)關(guān)信號(hào)；另一路經(jīng)過(guò)數(shù)制變換成PWM脈沖發(fā)生器的預(yù)置數(shù)值，完成對(duì)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(guò)程當(dāng)中，基帶信道對(duì)傳輸信號(hào)的碼型具有嚴(yán)格的要求，為了加強(qiáng)信號(hào)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(duì)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(shí)具有很高的抗干擾和時(shí)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(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，其中時(shí)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(gè)部分，前半數(shù)據(jù)代表了該時(shí)間段傳送比特碼的反碼，后半個(gè)時(shí)間段代表了比特值?？梢钥吹?，每個(gè)數(shù)據(jù)碼之間都有一個(gè)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(jì)基于Quartus Ⅱ軟件平臺(tái)，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(duì)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(diǎn)。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(kāi)和斷，而且能夠根據(jù)外界光照強(qiáng)度和是否有人來(lái)調(diào)節(jié)路燈的亮度，從而真正的實(shí)現(xiàn)路燈的節(jié)能和智能控制。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的工作，在當(dāng)前國(guó)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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