基于XY·CN－PDC总线的彩色LED控制器设计

2015-06-24黄文恺朱静

东莞理工学院学报 2015年5期

黄文恺朱静

(广州大学实验中心，广州 510006)

随着电子通讯设备的快速发展，对各种低端电子设备的低成本管理越来越是迫切需求。这样的设备数量繁多、信息量少，但要求比较快的反应速度。虽然各种高速通讯网络发展迅速，但是，对于低端设备来说，其通讯介质复杂而昂贵，不适合采用［1－5］。而在装饰性的彩色LED领域，其数据传输不同于大型LED屏的集中式传输与控制，其特点是节点分散范围较广，安装比较复杂。在装饰性的彩色LED控制领域大多采用RS485总线等方式将各个节点控制连接起来，在现场安装时，除了要布电力线，还需要布数据线，导致布线异常复杂。为了解决这一难题，电力线数据传输技术无疑是比较理想的选择。

1 XY·CN－PDC技术简介

鼎信通讯有限公司开发的XY·CN总线协议包括XY·CN－PDC、XY·CN－IMT、XY·CN－MPI、XY·CN－MMS四个子集，其中XY·CN－PDC可供电分布式控制总线是一种两线制、无极性可供电的标准现场总线，具有总线供电、设备容量大、通讯速率高、布线方便、抗干扰能力很强的特点。标准的总线可以提供达600 mA的电流，大电流总线可提供达1 800 mA的电流［6－8］。这种总线的专用芯片有XY100和XY001，它的应用技术层面低、成本较低、稳定性好，开发的初衷主要用于智能抄表系统，用于取代欧洲广泛应用的M－BUS标准。该总线不但涵盖了RS－485和M－BUS总线的全部优点，而且适合运用在总线控制系统及需二线制、总线供电的通信系统中，装饰性的彩色LED灯系统尤其适合。

XY·CN－PDC总线系统的技术具有以下特点:

1)通信速率高速稳定，在4.8 kb/s时，可以达到2 km的可靠通信距离，而且还可以挂接400多个节点设备，通过XY·CN总线可向节电设备提供0～10 mA持续的工作电流;一般静态功耗，一般低于150 uA，典型值为120 uA;通过总线可向单个从设备提供10～30 V、500 mA短时的持续电流。

2)具有节点容量大，标准总线节点的容量有256，两级总线是25 600;总线可以为设备提供持续电源;中断上报的功能，有任意节点数据的上报是50 ns的系统响应时间等特点。

3)备电系统设计只需要在控制器上完成，主机备电整个系统;通过隔离设备可保证在遭雷击时仍能可靠的工作。

4)具有设备自动登录等功能，可容纳很多种设备，预留了多种通信协议，扩展很方便;同时提供配套的主站专用集中控制芯片XY100，可与计算机USB、RS232等接口连接，系统兼容性及扩展性好;芯片电路成本也很低。

5)能够为下接设备供电。

6)抗干扰性强，因为它所采用的是恒流的电流环通讯方式。

7)安装使用方便，都是使用普通的双绞线，无极性的二线制安装接线。

8)布线简单方便，允许串行或星型等任意连接分支的布线。

2 基于XY·CN－PDC的彩色LED控制器硬件设计

2.1 系统设计

XY·CN－PDC系统总线采用的是24 V供电，上位AVR单片机可直接用稳压电源提供的5 V供电，而节点AVR单片机的5 V电源系由XY·CN总线的24 V降压后得到。系统发送数据时，由上位AVR单片机发出，经过XY·CN总线，即经由XY100芯片将数据调制到电力线，并传输到XY001，然后在节点的Atmega16单片机上接收，最后控制节点设备的彩色LED显示。XY·CN－PDC总线采用的是半双工模式，而在本设计中仅使用了单向的传输控制功能，无需数据回传。

原理框图如图1所示。

图1 整体硬件设计框图

2.2 通讯模块

2.2.1 XY001芯片

XY001芯片是XY·CN总线设备端通信 (从机)专用集成电路，实现数字通信的调制解调功能，总线信号时经过外部桥式整流器BUS1直接输入芯片里面;芯片的RXD、TXD信号可直接输入到单片机，或通过光耦和单片机连接;VCC输入总线9～35 V、20 mA电源。+5 V为节点提供5V±5%、10 mA的电源。接收的时候，总线信号经外部桥式整流器变换极性，经过片内的带通滤波器再经过信号解调器，开漏极输出RXD信号。发送时，TXD信号先经过一次调制，再经过收发冲突控制电路，接着经过二次调制将TXD的TTL电平信号调制到总线上。外围电路图如图2所示。

图2 XY001芯片及外围电路图

2.2.2 XY100芯片

XY100芯片是XY·CN总线主机专用集成电路，可以实现数字通信的调制解调。由于主机电路比较复杂，为了提高主机的抗干扰能力，控制器将总线的驱动和单片机系统进行隔离。TXD、RXD收发控制经光耦后输入芯片，系统采用了12～36 V的电源。

数据发送:通过RT/CON控制打开输出的控制，发送的数据经过发送缓存，调制驱动驱动USH、BUSL信号，驱动输出三极管完成数据的满幅电压调制。

数据接收:通过RT/CON控制，关闭外接输出调制对管，打开接收解调器，同时提供总线6.5 V的30 mA电流环调制电压，设备的电流调制信号经过接收解调器和接收缓存由RXD输出接收的电平信号。

外围电路图如图3所示。

图3 XY100芯片外围电路

2.3 彩色LED控制模块

彩色LED控制模块选用了TM1804芯片，该芯片是三通道LED驱动控制专用芯片，内部已经集成有MCU数字接口，数据锁存器和LED高压驱动等电路。通过外部MCU控制可以实现芯片单独辉度、级联控制实现户外大屏地彩色点阵发光的控制［9］。

TM1804采用高压功率CMOS工艺，输出口耐压为24 V，串行接口级联。内置RC震荡并根据数据线信号来时钟同步，在接受完本单元的数据后，自动将后续数据整形后，再由数据输出端发送出去。上电复位内置，PWM控制端可以实现256级调节，扫描频率将大于或等于400 hz/s，通过一根信号线即可完成数据的接收和解码。若刷新速率为30帧/s时，低速模式下级联可以大于512点。

图4 芯片TM1804的管脚定义

表1 芯片TM1804的管脚功能

TM1804采用了单线通讯方式，归零码的方式发送信号。当芯片上电复位后，接收DIN传来的数据，接收达24 bit后，D0端口开始转发数据，为下一个芯片提供输入数据。在转发之前，D0口一直是被拉低的。这时候芯片将不再接受新的数据，芯片OUTR、OUTB、OUTG三个PWM输出口根据接收到的24bit数据，将发出不同占空比的信号，该信号周期在4 ms左右。若DIN端输入信号为RESET信号，此时芯片会将接收到的数据显示;在此信号结束后重新接收新的数据。芯片接受完开始的24bit数据后，将会通过D0转发数据。

芯片运用的是自动整形转发技术，使芯片的级联个数不受传送信号的限制，仅受限刷屏速度。

将上述部分整合和连接，即组成基于XY·CN－PDC总线的彩色LED控制器。

3 测试数据

为了验证系统的稳定性和抗干扰能力，分别搭建了一套RS485总线和一套XY·CN－PDC总线测试系统进行测试和对比［10］。测试过程中尽量模拟真实的使用环境，采用相同的线缆进行连接，在两栋楼宇之间进行数据传输。为测试抗干扰能力，中途经过一座110 kV的变电站。发送端每秒发送50帧数据，每帧数据为10个字节的16进制数据。当接收端的丢帧率大于或等于2%时，视为通讯失败，此时的测出的距离为最远距离。测试结果如表2所示。