基于EIB的調光系統的實現

葉 挺，王景存

(武漢科技大學 信息科學與工程學院,湖北 武漢430081)

智能建筑中集成了現代通信技術、微電子技術等尖端技術。這些技術的應用，不僅給建筑帶來了沉重的建設成本壓力，其運行和維護成本也日漸增高，同時智能化建筑對施工的便捷性、使用的安全性、經濟性、舒適性等方面不斷提出更高的要求。為適應這樣的需求，建筑領域的現場總線技術標準歐洲安裝總線——EIB(Europeaninstallation Bus)便 應 運 而 生[1]。

1 EIB技術

EIB技術對傳統電氣安裝技術而言是一次突破性的革命，它具有現場總線技術的核心優點，如全分散控制；設計、安裝、維護方便等，是當今建筑技術領域非常優秀的現場總線標準。EIB是一個基于事件控制的分布式總線系統。系統采用串行數據通信進行控制、監測和狀態報告。所有總線裝置均通過共享的串行傳輸連接(即總線)相互交換信息。數據傳輸按照總線協議所確定的規則進行，需發送的信息先打包，形成標準傳輸格式(即報文)，然后通過總線從一個傳感裝置(命令發送者)傳送到一個或多個執行裝置(命令接收者)。EIB的數據傳輸和總線裝置的電源(DC 24V)共用一條電纜，報文調制在直流信號上[1]。

2 EIB的拓撲結構

EIB是一個開放的協議，可采用雙絞線、電力線、同軸電纜、無線等不同的通信介質,其中應用較廣泛的是雙絞線和電力線。使用雙絞線時，每個物理段可長達1 000 m，傳輸速率為 9.6 kb/s；使用電力線時,最大傳輸距離為600 m。

EIB網絡是一個完全對等(peer-to-peer)的分布式網絡。接入網絡的每個設備具有同等的地位，不存在中央控制設備。為了讓EIB系統能夠適用于不同規模和復雜度的電氣安裝系統，特別在構架上進行了層次規劃。其網絡拓撲如圖1。從圖中可以看出，網絡采用了域(Domain)、區(Area)、線(Line)的分層 結構[5]。

每一條Line上最多可以連接和容納255個設備同時工作。通過線路耦合器(LK)，一個Area內最多可容納15條 (按照地址分配原則,理論上是可以容納15條Line，但是工程中往往是不可行的)；而通過干線耦合器(BK)，一個Domain可容納15個Area。這樣一個 EIB系統最多(理論上)可容納 255×15×15=65 025個設備，一般實際設計時為 64×12×15=12 480個設備。線、區間連接通過特定的線耦合器 (Line Coupler)和區耦合器(Area Coupler)實 現[6]。

3 EIB調光系統的總體結構框圖

EIB調光系統主要由三部分構成，如圖2所示，電容式觸摸感應按鍵、EIB調光驅動器、和日光燈。每個模塊中都有總線耦合器BCU，它主要實現EIB物理層和數據鏈路層的協議。

3.1 總線耦合器BCU

總線耦合器BCU包括三部分,如圖3所示。FZE1066負責將EIB總線的信號解調成串行數字信號，同時也將FPGA發出的串行數據調制到EIB總線上。發送數據時，數字信號通過 SEND管腳發送到 FZE1056，FZE1056將數字信號經過調制變成模擬信號，發送到總線上。同時FZE1056接收EIB總線上的模擬信號變成數字信號，通過QREC管腳發送出。FPGA在發送數據時，通過接收QREC管腳的信號來判斷發送1 bit色數據是否成功。

FPGA負責將單片機發送的并行數據轉成串行數據，發送給FZE1056。同時FPGA也接收來自FZE1066的串行數據，并將其處理成8位的并行數據，然后發送給MCU。FPGA內部功能模塊可以分成發送模塊、接收模塊和信號合法性檢測模塊。

FPGA在向總線發送數據的同時,也接收來自總線的數據，邊發送邊檢測，當發送的數據和接收到的數據不一致時，說明總線正忙，BUSY線將輸出低電平。此時說明系統申請總線失敗，退出發送，進入等待狀態。

FPGA接收來自總線的數據時，ROE管腳為低電平，處于接收使能狀態，WOE管腳為高電平，發送模塊處在禁止狀態。在接收數據時，也要進行數據的合法性檢測。接收完1幀數據后，要進行奇偶檢驗。當一幀數據接收完成，并且奇偶校驗正確時，INT為低電平，通知MCU有數據接收完成，等待讀取。當檢測到接收的數據不合法或奇偶檢驗錯誤時，ERR為低電平，通知 MCU，當前數據接收錯誤。

MCU也包括3個功能部分:發送和接收數據模塊、功能定義模塊和RS485模塊。發送和接收數據模塊用于向FPGA發送8 bit的數據和接收來自FPGA的8 bit數據。功能定義模塊通過串口和PC機相連。MCU處于編程模式時，PC機軟件通過串口將編譯好的系統功能發送給MCU。MCU將系統功能數據存在EEPROM中，上電重啟時，當功能數據較小時，將此部分數據拷貝到一個大的數據中，需要時，從此數組中讀取數據。當功能數據較大時，只拷貝一部分數據到大的數組中，當需要的數據不在數組中時，再拷貝余下的部分到數組中。RS485模塊，主要是兼容RS485的設備，功能與EIB是一樣的，只是連接的總線不一樣。

3.2 電容式觸摸感應按鍵

觸摸按鍵的原理：在任何兩個導電的物體之間都存在電容，電容的大小與介質的導電性質、極板的大小與導電性質、極板周圍是否存在導電物質等有關。PCB板(或者FPC)之間兩塊露銅區域就是電容的兩個極板，相當于一個電容器。當人體的手指接近PCB時，由于人體的導電性，會改變電容的大小。觸摸按鍵芯片檢測到電容值大幅升高后，輸出開關信號。

本系統采用IQS221設計的電容式觸摸感應按鍵，該芯片有如下技術特點：(1)一個IQS221芯片可以實現高達45個觸摸按鍵；(2)輸出支持直接電平 Direct、BCD 編碼、SPI；(3)自動環境補償，內嵌Regulator；(4)接近感應、觸摸靈敏度可調整；(5)可以穿透絕緣面板(如塑料或玻璃等)感應觸摸。

一個按鍵控制器上可以接一個按鍵模塊，也可以接多個按鍵模塊，當接多個按鍵模塊時，按鍵控制器與鍵盤設備之間的通訊采用主動輪詢的方式，按鍵控制器發送命令的格式隨按鍵控制器與鍵盤設備的不同聯接狀態而變化。

3.3 調光驅動電路

如圖4所示是調光驅動電路部分，它接收來自串口的命令字。這些命令字接收后，經過處理獲得PWM的參數，MCU將產生相應占空比的PWM信號。PWM經過后一級電路處理后，輸出的是PWM有效值大小的直流信號。這個直流信號的0～10 V之間，它用于控制可調光整流器。調光整流器輸出交流信號，最終控制燈光的亮度。

一個完整的調光模塊需要EIS1、EIS2和EIS6。其中EIS1是開關控制規范，由一個 bit表示開關；EIS6是百分比，由一個8 bit的數據表示0%-100%，用于調光值的表示；EIS2是調光規范，包含如下3個子功能[4]。

Position(開關位置)：此功能決定調光執行器的開關狀態。每次切換開關狀態或通過縱向寫入Position狀態時,調光執行器將向總線發出一個發生請求信號，然后將狀態值以相同組地址發送。

Control(相對調光)：如圖5所示，此功能用于遞增或遞減一個調光的步進值(相對調光)。調光執行器可利用其子功能開啟執行器，但無關斷功能[2]。

Value(絕對調光)：如圖 6所示，此子功能可直接對調光執行器設定目標值(絕對調光)。調光執行器可利用其子功能對執行器進行接通或關斷。

EIB技術和產品對于中國用戶是全新的概念和系統，系統集成商和最終用戶需要通過越來越多的實際項目來熟悉該系統。作為開放和集成的技術標準，EIB系統在中國有著良好的應用前景，將為中國的智能建筑領域同國際接軌起到推動作用。

本系統采用FPGA和單片機結合設計EIB的BCU部分，使得系統具有強大的兼容性和開放性，可通過硬件接口同樓字自控系統、物業管理系統、安防系統集成，符合智能大廈的發展趨勢，靈活性更強。采用FPGA的并行性，使系統的數據處理實時性更強。

[1]邢詒俊,龍天威,陳富節.EIB技術基本原理及應用[J].華南金融電腦應用技術，2009，6(10):57-58.

[2]EIB Handbook Series Relsease 3.0,Volume 3:3/3/7-2～3/3/7-50.

[3]郭銳,張玉潤,金毅.基于EIB協議的現場總線應用模塊開發[J].電子技術,2003(10):32-35.

[4]郭銳.EIB智能建筑與調光系統的研究[D].杭州：浙江大學碩士學位論文，2004:49-57.

[5]GOOSSENS M.The fast lane to EIB[J].EIB-proceedings,1998,27(2):33-37.

[6]OTT R.Linking EIB networks with java:The EIBlet concept[J].EIB-proceedings,2000,29(35):172-180.