一种基于CAN总线的仿生LED照明控制系统设计_杨永胜.pdf

2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1一种基于 CAN 总线的仿生 LED 照明控制系统设计杨永胜，陈成，胡洪义，李兰馨，张淑坤(连云港杰瑞电子有限公司，江苏 连云港222000)摘要:为了改善矿井下的照明作业环境，降低长期待在井下对人体造成的不利影响，设计基于 CAN 总线通信方式的仿生 LED 照明控制系统，该系统主要由照明分控制器和 LED 仿生照明灯具组成。文章给出了该系统的整体构成、通信方式、照明分控制器和 LED 仿生照明灯具软硬件设计方案，并详细地介绍了系统的功能实现。通过融合星型组网技术和大数据仿生算法，在格拉斯曼调光混合定律的基础上实现了仿生 LED 照明控制系统。经过测试，本系统最终实现了模拟自然光的亮度和色温变化自主控制照明灯具的功能，在满足标准和规范要求的条件下，改善传统的照明工况，提高人体的适应性。关键词:T-Thread;仿生;LED 照明;矿井中图分类号:TM923文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2023.01.008Design of a Bionic LED Lighting Control System Based on CAN BusYANG Yongsheng，CHEN Cheng，HU Hongyi，LI Lanxin，ZHANG Shukun(Lianyungang Jari Electronics Co，Ltd，Lianyungang222000，China)Abstract:In order to improve the lighting working environment under the mine and reduce the adverseimpact on human body caused by staying underground for a long time，a bionic LED lighting control systembased on CAN bus communication mode is designed The system is mainly composed of lighting subcontroller and LED bionic lighting lamps This paper presents the overall composition of the system，communication mode，lighting sub controller and the hardware and software design of LED bionic lightingfixture，and introduces the function realization of the system in detail Through the integration of starnetworking technology and big data bionic algorithm，the bionic LED lighting control system is realized onthe basis of Glasmann s dimming mixing law After testing，the system finally realizes the function ofsimulating the brightness and color temperature changes of natural light to control lighting lampsindependently Under the condition of meeting the requirements of standards and specifications，it improvesthe traditional lighting conditions and improves the adaptability of the human bodyKey words:T-Thread;bionics;LED lighting;mine引言随着工业化的不断发展，社会对煤炭资源的需求量在逐步扩大。井工矿作为我国开采煤矿的主要场所，贡献了国内煤炭 90%的开采量1。照明系统作为井下必不可少的辅助系统，为作业人员正常工作提供了条件。舒适的照明条件可以提高工人的工作效率，恶劣的生产照明环境会对矿工的视觉感知造成消极影响，降低信息接收能力，增大事故发生的概率2。目前，矿井照明大多配备了 24 h 不间断电源的照明系统，如果能够合理地选择照明时间和照明方式，可以有效地节约能源，提高能源利用率3。为了改善井下作业的照明环境，降低矿井安46照明工程学报2023 年 2 月全事故的发生概率，提高工人的工作效率4，本文设计了一套基于 CAN 总线的仿生 LED 照明控制系统。该系统融合了大数据仿生算法，采用星型组网技术，具有易扩展、移动方便的特点，适合在不同的应用场景下使用。其中，照明分控制器作为系统的中心节点，基于大数据仿生算法，在提高能源利用率的基础上，实现了井下环境的仿生照明和多种照明情景预案。1系统整体设计仿生 LED 照明控制系统由照明分控制器和 LED仿生照明灯具组成。其中，照明分控制器决策当前环境应该保持的亮度和色温，LED 仿生照明灯具根据照明分控制器指令对灯具亮度和色温进行调节。照明分控制器作为系统的中心节点，通过 CAN 总线连接多个 LED 仿生照明灯具，形成一个星型网络结构。它具有模式选择、状态显示、故障上报以及闭环控制等功能，可以通过大数据仿生算法对当前系统时段的自然光光色及亮度变化关系进行仿生模拟，并将控制指令通过 CAN 总线发送至 LED 仿生照明灯具，LED 仿生照明灯具根据接收的指令完成对灯具亮度和色温的调节，实现井下环境的仿生照明。仿生 LED 照明控制系统的结构框图如图 1 所示。图 1仿生 LED 照明控制系统结构框图Fig.1Structure block diagram of bionic LED lighting control system2系统硬件设计2.1照明分控制器照明分控制器电气模块主要由电源模块、CAN通信模块、MCU 模块、I/O 模块、显示模块和按键输入模块构成。电源模块分别给键盘、I/O 模块、MCU、CAN 通信和显示屏提供对应的工作电压。薄膜按键通过 I/O 模块将输入指令发送到 MCU 控制器，MCU 控制器接收到指令后更新屏幕显示并通过CAN 通信模块将指令发送出去。同时，MCU 控制器通过 CAN 通信模块接收 LED 仿生照明灯具上报的灯具状态信息。照明分控制器的电气功能结构框图如图 2 所示。图 2照明分控制器电气结构框图Fig.2Electrical structure block diagram of lighting sub controller2.2LED 仿生照明灯具LED 仿生照明灯具的电气模块主要由电源模块、CAN 通信模块、MCU 模块、PWM 调光模块和 LED驱动模块构成。电源模块分别给 CAN 通信模块、MCU 模块、PWM 调光模块和 LED 驱动模块提供对应的工作电压。CAN 通信模块接收照明分控制器的控制信息，并将控制信息发送至 MCU 控制器，MCU 控制器通过 PWM 调光模块调节 LED 面板的亮度和色温 5。同时，MCU 控制器通过 CAN 通信模块将 LED仿生照明灯具的状态信息发送至照明分控制器。LED仿生照明灯具的电气结构框图如图3 所示。图 3LED 仿生照明灯具电气结构框图Fig.3Electrical structure block diagram of LED bionic lighting fixture3软件设计3.1照明分控制器照明分控制器运行 T-Thread 嵌入式操作系统，第 34 卷第 1 期杨永胜等:一种基于 CAN 总线的仿生 LED 照明控制系统设计47通过分层开发的方式保证了系统的灵活性，软件结构框图如图 4 所示。整个软件系统主要包括 IDLE线程、通信线程、显示线程、INPUT 线程和 WDT 线程。IDLE 线程用来保证系统持续工作运行;通信线程通过 CAN 设备驱动实现照明分控制器和 LED 仿生照明灯具的双向数据通信;显示线程通过 LCD 显示屏驱动提供人机界面;INPUT 线程响应薄膜键盘驱动的中断事件，发送消息到相关的通信线程和显示线程;WDT 线程监控软件系统正常运行，提高软件系统的故障恢复能力。图 4照明分控制器软件结构图Fig.4Software structure of lighting sub controller其中，显示线程使用 GuiLite 轻量级显示框架。该框架使用 C+语言开发，提供控件管理和图形绘制功能。所有控件都继承自c_wnd类，控件之间采用树形组织结构，具有可裁剪、高效渲染和硬件资源要求低的特点。显示线程的软件流程图如图 5所示。3.2LED 仿生照明灯具LED 仿生照明灯具软件主要包括 IDLE 线程、通信线程、亮度色温调节线程和 WDT 线程。通信线程通过 CAN 设备驱动实现 LED 仿生照明灯具和照明分控制器的双向数据通信;亮度和色温调节线程通过 PWM 调光模块调节两路 LED 驱动模块输出的驱动电流，实现仿生照明功能;WDT 线程监控软件系统运行，提高软件的故障恢复能力。LED 仿生照明灯具的软件结构框图如图 6 所示。亮度色温调节线程根据大数据仿生算法，将接收的亮度和色温值转换为对应两路 PWM 的占空比，实现精准调节。大数据仿生算法根据格拉斯曼颜色混合定律，通过采集大量数据进行曲线拟合，得到亮度、色温和 PWM 之间的关系式，再将关系式移植到 MCU 控制器实现了算法的本地运行。灯具调节线程软件流程图如图 7 所示。4混光模型分析结合 LED 的调光技术特点构建多色温 LED 混光计算模型。目前，无极调光的模式主要有模拟调图 5照明分控制器显示线程软件流程图Fig.5Flow chart of display thread software of lighting sub controller48照明工程学报2023 年 2 月图 6LED 仿生照明灯具软件结构图Fig.6Software structure diagram of LED bionic lighting fixture图 7灯具调节线程的软件流程图Fig.7Software flow chart of lamp adjustment thread光和 PWM 占空比调光6。PWM 调光通过控制高频脉冲信号的占空比调节 LED 的平均电流，实现对LED 的调光。并且，在 PWM 占空比改变的同时，其色品坐标基本不变，光通量和占空比近似正比例函数关系，见式(1)。Y=DY(1)式(1)中，Y 表示目标光通量，D 是占空比，Y表示 LED 在满电流工作条件下的光通量。根据色度学计算可以得到混合光的色品坐标。根据格拉斯曼定律和式(1)，可以得出多种 LED 的混光方程组，见式(2)。Ym=D1Y1+D2Y2+D3Y3+DnYnxm=XmXm+Ym+Zmym=YmXm+Ym+Zm(2)占空比是唯一决定混光色品坐标的变量7。式(2)中，Xm、Ym、Zm是混合光 M 的三刺激值，Yi是光源 i 在满电流状态时候的刺激值，在 CIE-1931 色度系统中 Y 等于光通量。双色混光的两色品坐标相互约束，对混光方程进行求解，结果见式(3)。D1=Ymy1(x2 xm)Y1 y2(xm x1)+y1(x2 xm)D2=Ymy2(xm x1)Y2 y2(xm x1)+y1(x2 xm)(3)式中，Ym是目标函数，D1和 D2分别表示两路 PWM的占