LIN总线技术在教学楼照明系统中的应用

1 引言

据调查，目前大多高校教学楼照明用电的管理基本是处于一种粗放式的管理状态。其管理有三种模式：1）无专人管理，由学生自行控制开启，再由值日学生在中午、下午和晚自习后关闭灯具；2）利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；3）由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分楼或分层送电。这三种管理模式都不同程度地存在着布线复杂、浪费电能、无法及时地保证各个教室的照度以及控制的准确程度低等缺陷[1]。在教学楼中引入智能照明系统可以有效地提高管理水平，改善工作和学习环境，达到良好的节能效果。

目前，智能照明控制系统按网络的拓扑结构主要分为总线式和以星形结构为主的混合式[2]。本文设计的教学楼智能照明系统采用CAN/LIN混合网络体系结构，即干线采用CAN（Controller Area Network）总线，支线采用LIN（Local Interconnect Network）总线。CAN网络是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，具有很高的可靠性，高速、长距离传输，开发系统廉价。LIN总线最初用于实现汽车内部诸多电子控制单元之间的通信，作为子网络，用于一些不需要诸如CAN总线的带宽和多功能场合。但是LIN的应用并不局限于汽车领域，在诸如工业控制领域也占有广阔的应用地位和前景。

由于LIN总线基于通用UART接口，几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件，网络采用极少的信号线（一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线），设备硬件成本低。使用LIN总线作为总线型楼宇智能照明控制系统的子网络，可以兼顾通讯可靠，节省成本。

2 LIN总线通信规则

LIN的工作原理是基于单主/多从概念。如图1所示，在一个LIN网络中，由一个主节点以及多个从节点构成，主节点由主机任务和从机任务组成。而所有从机节点只包含从机任务。主节点用于控制LIN总线，它通过对从节点进行查询，将数据发布到总线上。从节点仅在主节点的命令下发送数据，从而在无需仲裁的情况下实现双向通讯。

LIN协议的发送是由报文实现的，每个报文由主机节点发出的报文头和主机或从机节点发出的报文响应组成。如图2所示。报文的传送是在主节点发出一个同步间隔场后开始的，然后跟随的是同步场和标识符字节。主节点通过在发送同步场可设定整个总线时钟。标识符字节告诉LIN总线随后将发送的是什么数据，并指明哪个节点应该应答及应答的长度是多少。对于给定的命令，只有一个从节点可以应答。从机任务接收标识符后对标识符进行滤波确认，当标识符表明节点与本次通信有关时，发送由数据和校验组成的响应。从节点仅在主节点的控制下在LIN总线上发送数据。一旦数据发布到总线上，任何节点都可以接收该数据。因此，一个从节点向其它从节点发送数据无需主节点干预。由于LIN协议使用低成本RC振荡器，因此从节点必须检测主节点每次发送的波特率，并调整为当前速率[3]。

LIN总线可以用软件编程实现各种特性，也可以通过软/硬件功能增添新的特性，这样不同的模块就都可以用一个硬件或一个软件平台实现。LIN总线的灵活性有利于降低生产和软/硬件维护方面的成本。因为LIN总线协议非常简单，所以用质优价廉的8位单片机就可以实现，从而降低系统总成本。

3 系统实现

3.1系统组成

教学楼照明控制系统的基本组成包括主控中心、照明控制器、动态传感器和照度传感器等，系统使用通用计算机作为主控中心，通过通讯装置与网络实现通讯。计算机上可直接实现编程、监控、故障报警等功能。照明控制器是智能照明控制系统的核心部分，既可独立工作，也可以由计算机中心控制。动态传感器利用红外线或超声波的原理，自动识别房间内是否有人存在，从而给控制器发送信号，实现“人来灯亮，人走灯灭”的动态控制功能。照度传感器核心部件是光电耦合器，照度传感器通过感应外部自然光源的照度来调节室内照明的亮度，实现智能探测和智能调节的功能。

3.2 系统结构原理

系统总体结构如图3 所示。每个教学楼的灯光控制系统干线采用CAN总线，支线采用LIN总线。每个教室内组成一个LIN网络，根据需要设置LIN从节点的个数。

主机节点采集本地各控制开关的状态，并接受上层网络CAN总线上的远程信息，据此产生控制指令，并将指令转换为LIN报文帧，通过LIN网络发送给相应从机节点。从机节点通过收发器TJA1020接收到与自己相关的报文帧后，对报文帧进行拆封、解读，然后根据获得的指令控制相应的执行器动作，从而实现对各个照明灯状态的控制。同时，在需要时从机节点分别将其控制部件所处状态反馈给主机节点，主机节点再将