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1. 無線 LED 照明系統的簡介 照明系統與人民生活息息相關，但目前絕大部分照明系統都是利用各類普通開關對燈具進行打開和關閉，燈光的亮度調節也是通過普通的調光開光進行相應的調節。每次進行照明系統的操作須走到開關處才能完成，且一個開關一般只對應一路燈具，導致需要安裝很多開關，因此非常有必要設計一種集調光和開關一體的無線遙控發射接收裝置以提升照明系統的智能化。這將有效地克服傳統有線控制的弊端，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進行相應的操作。基于這種需求，本文設計了無線 LED 照明系統的解決方案，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，關燈時，燈光由亮漸暗。避免大電流沖擊，保護照明系統，延長使用壽命; 3、燈光明暗調節功能：調節不同燈光的亮度，操作方便; 4、全開全關和記憶功能; 5、定時控制功能; 6、亮度自適應調節; 2. 系統結構與總體方案設計 本文設計采用了TI的CC430 無線通信平臺，該平臺融合了基于16Bit 的超低功耗MSP430內核以及業界領先的不足1GHz 的CC1101 RF收發器之上。完美的結合實現了獨特的低功耗/高性能組合與前所未有的高集成度，帶來更為先進的高選擇性與高阻塞性能，確保即使在噪聲環境下也能實現可靠通信。能夠充分利用其高達25MHz 的峰值執行性能，且功耗僅為 160uA/MHz。針對基于CC430的設備，TI提供了種類豐富的MSP430 MCU外設集，如 12-Bit 的 ADC、LCD驅動以及比較器等高性能數字與模擬外設。此外，還具有AES-128 硬件安全模塊確保通信的安全性。 無線 LED照明系統的整體框圖如圖 1 所示。其中控制端部分設計為采用雙節AA電池供電的手持式遙控模塊，其基于CC430F6137,帶有段式LCD 驅動，豐富的I/O 口資源，以及能夠構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 上構建觸摸滑條與按鍵功能，對滑條的觸摸位置進行檢測并轉換為PWM 的占空比，通過雙邊的 RF模塊發送/接收相應的調制參數，再由接收端CC430F5137 產生調節 LED燈亮度的PWM 信號，對驅動模塊 UCC28810進行調制，如圖2所示。 3. 硬件電路設計 3.1 RF模塊硬件電路設計 CC430 的射頻模塊使用的是業界領先的不足1GHz 的CC1101 RF收發器，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)進行前置放大，再對其中頻信號進行濾波、數據解調以及同步包等工作。CC430 支持的頻率范圍為：300MHz~348MHz;389MHz~464MHz;779MHz~928MHz;在本設計中使用的是433MHz 的載波頻率，鑒于應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對輸出功率進行調整，滿足不同的距離需求。 RF模塊的硬件電路在整個系統設計中尤為重要，如圖3 所示。圖中的C5, C9, L3 以及 L8形成一個平衡轉換器，用以將CC430 上的差分端口RF_N/RF_P 平衡電路轉換成單端不平衡的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 構成了帶通濾波器;L2,L6 和 C8 構成低通濾波器。在本設計中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建 在本設計中，控制端部分為手持式遙控模塊。其設計的人機交互界面主要是LCD顯示以及觸摸按鍵。其中將觸摸滑條的功能用于調節 LED的亮度，是系統中較為形象與新穎的設計之一。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PCB Layout 的傳感電容上，構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參考電壓配置網絡，因此無需像COMP_A那樣使用外部硬件方式實現參考電壓網絡。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的振蕩次數，當人手觸摸在傳感電容上，會改變其自身電容值，使得對應的振蕩次數發生明顯變化，以此來判斷觸摸/非觸摸的狀態。構建一個4/5級觸摸滑條與2 個觸摸按鍵。 3.3 傳感器硬件電路設計 光敏傳感器的使用使得LED照明系統能夠實現亮度自調節功能，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勢，非常適合于光強檢測場合的使用。系統中主要通過對Vo 電壓的檢測，反映光強的變化，進而對PWM 進行相應的調制。 4. 系統軟件設計 4.1 RF模塊實現 在整個系統中，RF模塊是通信傳輸的橋梁，雙邊都須進行協議相同的RF軟件模塊設計。其發送模式和接收模式的數據包主要通過FIFO 來進行處理， 一幀的格式如圖6 所示： ● 前導碼 ● 同步字 ● 可選長度位 ● 可選地址位 ● 數據段 ● 可選CRC 字 在設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]; 在發送時，在TX FIFO 中的數據段包括數據長度，主機地址，從機地址，控制模式，控制PWM 參數，數據段CRC 校驗。其中，主機地址標識了控制端的地址;從機地址包括兩種地址：廣播地址與獨立地址，主要是用于集中控制與多點操作。控制模式提供了可選的模式選擇，控制 PWM 參數用于 LED亮度調節。 在接收時，RF的解調器和數據包處理器將尋找一個有效的前導和同步字。當找到后，解調器將獲得前導位和字同步，然后對接收的地址信息進行比照，首先判斷數據包是否來自控制端，然后響應含有廣播地址或者本機地址信息的數據。其發射/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來進行設置，輸出RFRegSettng.c 作為射頻的配置文件。 4.2 觸摸滑條的軟件設計 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，可以實現簡單的觸摸滑條功能。在設計通過4~5 個按鍵構成一個觸摸滑條，如在每個觸摸按鍵上創建 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。通過設置一個系統能夠達到最大響應的上限值，用該最大的Delta值除以每個按鍵所需的步階數，再由每個按鍵經過加權計算后將產生1 至32/64 步階的線性結果，如圖 4.2控制端/接收端軟件設計 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集中控制和多點操作，而觸摸滑條的處理通過將Position 轉換為PWM 由 RF發送至接收端CC430F5137。接收端則處理來自控制端的數據包，對LED照明進行亮度調節，或自動調節。本設計的軟件采用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，數據發送/接收模塊，PWM 轉換模塊，傳感器檢測模塊等幾個部分。 5. 總結 本文主要描述了以CC430 為控制核心的無線 LED照明系統的設計。整個系統經過軟/硬件設計與調試使得功能基本得到實現，系統實際硬件電路如圖10所示。實測過程中能夠有效地進行集中控制和多點單獨控制，定時控制，自動調光等預設功能，滿足當前市場對此類解決方案的功能要求。 |
