CPLD在智能感應照明控制系統中的應用

張軍 劉筠筠

摘 要： 針對傳統LED照明開關控制模糊等缺陷，設計了CPLD智能照明控制系統。首先介紹采用CPLD進行智能感應照明控制系統的工作原理，分析軟硬件設計思路以及遇到的問題。實驗表明，智能控制系統改善了傳統控制開關的缺陷，能夠可靠工作，實現照明的智能控制。

關鍵詞： CPLD； 智能控制； 節能； PWM； 驅動模塊

中圖分類號： TN91?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

能源緊缺已經成為制約我國經濟長期可持續發展的重要問題，國家已經把能源問題提升到了影響國家安定的戰略高度。電力能源是目前最重要的能源形式，近些處來，隨著我國的工農業的迅速發展，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。傳統的控制開關存在控制模糊等缺陷，因此采用有效智能感應照明系統改善傳統自動開關電路的缺陷，對于節約用電具有重要的意義。

1 智能控制系統的設計原理

本文基于CPLD的豐富的可編程軟件功能，以CPLD作為控制核心，結合相應的外圍擴展模塊，從而實現照明電燈的智能控制。CPLD智能控制系統會根據外界環境的光照強度來感知控制照明電燈的亮和滅，同時實時采集在線抽樣電壓，并進行判斷分析，做出控制輸出信息的決策，最終進行有效的節電照明智能控制。圖1所示為智能控制系統的整體框圖。從圖1中可以看出整個系統主要由傳感器部分、控制部分、LED驅動和照明部分組成[1]。

2 系統硬件平臺的設計

2.1 關鍵電路模塊設計

智能感應照明系統的電路模塊主要包括了PWM脈沖發生器模塊、光照度檢測模塊、紅外檢測模塊、LED驅動模塊以及一些輔助模塊。

（1） PWM脈沖發生器模塊

PWM脈沖發生器的作用主要是產生PWM脈沖，從而驅動LED燈，該脈沖可以通過CPLD來控制。脈沖模塊采用了美國Altera公司的MAX7000，該CPLD通用性和可靠性高[2]，并且能夠進行在線編程。PWM波形采用了Verilog HDL進行開發，原理圖如圖2所示。

PWM的信號產生電路采用觸發器和計數器設計。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；計數器主要有減一計數和周期預置計數器，觸發器主要有T觸發器、全零檢測器等。周期計數器和減一計數器采用16位計數器模塊實現。首先減一計數器由周期預置計數器預置初始值N，然后，分頻時鐘信號CLK控制減一計數器實現二進制數N的減一運算。當計數器中的初值N遞減到0時，全0檢測器將會產生高電平，重新將計數器當中的數置為N，如此不斷的循環，產生周期為[T=NfCLK]的觸發脈沖信號。脈沖整形電路將該觸發信號送給T觸發器FF0，如果觸發器的脈沖信號周期為T，那么在輸入端就會形成周期為2T的數字PWM信號。因此計數器的初始值N可以調節PWM的脈沖寬度[3]。

（2） 光照度檢測模塊

采用光敏電阻R來對外界環境的光線進行采樣。該光照度檢測模塊采用的光譜響應接近人視覺敏感區的波長。芯片ADC08032將采集到的模擬信號轉換成1組8位數字信號。通過改變周期預置的初始值，產生的可控的PWM寬度來模擬外界不同的光照強度，從而控制LED的亮度。

（3） LED驅動模塊

傳統上，LED采用可調節的恒流源進行驅動，本設計采用了PWM脈沖進行驅動，當LED工作在脈沖狀態下時，能夠被人眼覺察到的LED亮度是介于平均亮度和峰值亮度之間；也就是說，需要得到同樣的發光強度，采用脈沖電流的方式比恒流源驅動的方式電流更小；因此，這種方式能夠降低功耗，節省電能。PWM信號的驅動LED電路如圖3所示。

當PWM處在高電平時，三極管Q1被導通，MOSFET的柵源電壓VGS<0，源漏極導通，LED點亮。反之，當PWM處在低電平的時候，三極管Q關斷，LED燈熄滅。目前，LED燈主要采用了串聯各并聯兩種方式，而市場上成熟的LED燈采用的是1 W單粒LED，發光效率為60 lm/W，預計需要的亮度在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代表平均光照強度；N代表LED燈的個數；U代表LED燈的利用系數；K代表維護系數；A代表室內面積；Φ代表光通量。

（4） 紅外線檢測模塊

本設計采用PMW周期脈沖發生器模擬了外界環境的光照強度，根據環境的變化自動調整LED電路的通斷，但是在晚上較暗時，沒有人行走，路燈也會發光，在一些不需要長期照亮的地方，造成電能的極大的浪費。因此，需要在系統中加入紅外線檢測模塊，自動判斷是否有人進入照明的區域。紅外檢測模塊由熱釋紅外傳感器實現，當無人進入該區域的時候，紅外感應器只能感應到背景溫度。當有人進入到檢測區域時，則會感應到背景溫度和人體溫度的差異，檢測模塊會將透過濾光晶片的紅外能量轉換成電信號，控制系統會對該電信號進行分析，從而判斷是否發出開燈信號[4]。

2.2 設計LED燈三個主要問題

（1） 驅動電源的選取

傳統上驅動電源是在普通的穩壓電源外圍加上電阻或者有源器件限流，從而能夠保持LED電流的相對穩定。但是這種方式成本高、效率低，一般小功率的開關電源效率在70%左右，算上外部限流元件的損耗，效率會低于60%，這會使LED節能照明優勢消失。

AP?2B320LED驅動器作為專用的電源變換器，安裝在LED燈的內部采用220 V交流電供電，能夠串聯驅動10～40只1 W的大功率的LED燈工作，變換效率高，達到了85%以上，而且驅動器采用了封閉結構，適合在室內和室外使用。

（2） LED燈的連接方式

目前市場上主要采用的都是單粒1 W的LED燈，因此LED燈免不了需要進行串聯、并聯、混聯組合連接。單獨采用串聯或者并聯都存在一些問題：

全部串聯方式：這種方式如果出現了一只LED燈損壞，那么整個燈將會不亮，而且全部串聯的驅動電壓至少需要150 V，電壓過高，降低了電路的安全性[5]。

全部并聯方式：這種方式如果出現了開短路，那么電路當中的電流就會不均衡，從而影響LED燈的使用壽命。

因此，由于LED燈的數量太多，單獨的串聯或者并聯都會出現問題，最終采用了串并混合的方式。專用的LED驅動器一般作為電流源，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LED支路[6]。

（3） 散熱方式

散熱問題的解決主要依靠燈體結構的合理設計。按照LED的數目在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板傳導到金屬外殼上，最終通過輻射和對流散去[7]。燈體的外殼應該采用散熱片的結構，這樣能夠在保證較大散熱面積的同時又減小LED燈的體積[8]。

3 系統軟件平臺的設計

CPLD是基于EPLD上發展起來的，它包含了可編程的邏輯宏單元、內部連線、I/O單元，同時還集成了FIFO、雙口RAM、比較器等，具有足夠的驅動能力，能夠產生互補的輸入信號，提供不同的輸出方式[9]。

3.1 軟件的設計

本系統采用模塊化的設計思想，通過Verilog HDL編程語言設計了各個模塊，主程序作為核心功能模塊調用各個功能模塊來實現相應的功能。該控制系統的主要功能中，將光照度檢測模塊產生的信號經過數字模擬轉換后分成兩路：一路代表環境能見度的基本數制碼進行比較轉換成Manchester碼，并且和紅外檢測模塊收到的信號做運算，最終產生LED的開關信號；另一路經過數制變換成PWM脈沖發生器的預置數值，完成對PWM脈沖寬度的調制[10]。

3.2 基于CPLD的Manchester編碼器

在進行模/數轉換后，數字通信的過程當中，基帶信道對傳輸信號的碼型具有嚴格的要求，為了加強信號抗干擾性，需要將原始的信息流轉變為適合基帶信道傳輸的編碼，比如BPH碼、AMI碼、CMI碼等傳統都采用的CMI碼，也就是二進制編碼，但是二進制編碼對于碼間的干擾能力有限[11]。因此，本系統采用了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，同時具有很高的抗干擾和時鐘恢復能力，更適合在傳輸性能較差的信道當中傳輸信息。

CPLD輸出的單一BPH碼中包含了數據信號和時鐘信號，其中時間碼被分為了等間隔的小段，這些小段表示一位數據，該數據又分為兩個部分，前半數據代表了該時間段傳送比特碼的反碼，后半個時間段代表了比特值。可以看到，每個數據碼之間都有一個跳變，從低位跳到高位用“1”表示，而從高位跳到低位用“0”表示。設計基于Quartus Ⅱ軟件平臺，并適配到具體的CPLD器件中去，比如CPLD 內部的ROM存放了1110101010101010，則Manchester編碼器對該信息編碼的碼元為01010110011001100110011001100110。

4 結 論

LED作為新一代的節能產品，具有體積小、能耗低等優點。本文提出了一種基于CPLD的智能感應照明控制系統，不僅智能控制了電燈的開和斷，而且能夠根據外界光照強度和是否有人來調節路燈的亮度，從而真正的實現路燈的節能和智能控制。實驗表明，該系統能夠可靠穩定的工作，在當前國家大力提倡減排節能的要求下，具有較大的研究意義。

參考文獻

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