摘  要： EIB智能控制系統(tǒng)是一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)制多功能樓宇設(shè)備控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了EIB智能控制系統(tǒng)的組成、原理及基于EIB的現(xiàn)代化調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：樓宇自動(dòng)化系統(tǒng); 歐洲設(shè)備安裝總線(xiàn);智能建筑系統(tǒng)

    智能建筑中集成了現(xiàn)代通信技術(shù)、微電子技術(shù)等尖端技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用，不僅給建筑帶來(lái)了沉重的建設(shè)成本壓力，其運(yùn)行和維護(hù)成本也日漸增高，同時(shí)智能化建筑對(duì)施工的便捷性、使用的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面不斷提出更高的要求。為適應(yīng)這樣的需求，建筑領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)歐洲安裝總線(xiàn)——EIB(Europeaninstallation Bus)便應(yīng)運(yùn)而生[1]。
1 EIB技術(shù)
    EIB技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)電氣安裝技術(shù)而言是一次突破性的革命，它具有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的核心優(yōu)點(diǎn)，如全分散控制；設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)方便等，是當(dāng)今建筑技術(shù)領(lǐng)域非常優(yōu)秀的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。EIB是一個(gè)基于事件控制的分布式總線(xiàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用串行數(shù)據(jù)通信進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)和狀態(tài)報(bào)告。所有總線(xiàn)裝置均通過(guò)共享的串行傳輸連接(即總線(xiàn))相互交換信息。數(shù)據(jù)傳輸按照總線(xiàn)協(xié)議所確定的規(guī)則進(jìn)行，需發(fā)送的信息先打包，形成標(biāo)準(zhǔn)傳輸格式(即報(bào)文)，然后通過(guò)總線(xiàn)從一個(gè)傳感裝置(命令發(fā)送者)傳送到一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行裝置(命令接收者)。EIB的數(shù)據(jù)傳輸和總線(xiàn)裝置的電源(DC 24V)共用一條電纜，報(bào)文調(diào)制在直流信號(hào)上 [1]。
2 EIB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    EIB是一個(gè)開(kāi)放的協(xié)議，可采用雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、同軸電纜、無(wú)線(xiàn)等不同的通信介質(zhì),其中應(yīng)用較廣泛的是雙絞線(xiàn)和電力線(xiàn)。使用雙絞線(xiàn)時(shí)，每個(gè)物理段可長(zhǎng)達(dá)1 000 m，傳輸速率為9.6 kb/s；使用電力線(xiàn)時(shí),最大傳輸距離為600 m。
    EIB網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)完全對(duì)等(peer-to-peer)的分布式網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)設(shè)備具有同等的地位，不存在中央控制設(shè)備。為了讓EIB系統(tǒng)能夠適用于不同規(guī)模和復(fù)雜度的電氣安裝系統(tǒng)，特別在構(gòu)架上進(jìn)行了層次規(guī)劃。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)采用了域(Domain)、區(qū)(Area)、線(xiàn)(Line)的分層結(jié)構(gòu)[5]。

　每一條Line上最多可以連接和容納255個(gè)設(shè)備同時(shí)工作。通過(guò)線(xiàn)路耦合器(LK)，一個(gè)Area內(nèi)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(guò)干線(xiàn)耦合器(BK)，一個(gè)Domain可容納15個(gè)Area。這樣一個(gè)EIB系統(tǒng)最多(理論上)可容納255×15×15=65 025個(gè)設(shè)備，一般實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為64×12×15=12 480個(gè)設(shè)備。線(xiàn)、區(qū)間連接通過(guò)特定的線(xiàn)耦合器(Line Coupler)和區(qū)耦合器(Area Coupler)實(shí)現(xiàn)[6]。
3 EIB調(diào)光系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖
    EIB調(diào)光系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，如圖2所示，電容式觸摸感應(yīng)按鍵、EIB調(diào)光驅(qū)動(dòng)器、和日光燈。每個(gè)模塊中都有總線(xiàn)耦合器BCU，它主要實(shí)現(xiàn)EIB物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。

3.1 總線(xiàn)耦合器BCU
　 總線(xiàn)耦合器BCU包括三部分,如圖3所示。FZE1066負(fù)責(zé)將EIB總線(xiàn)的信號(hào)解調(diào)成串行數(shù)字信號(hào)，同時(shí)也將FPGA發(fā)出的串行數(shù)據(jù)調(diào)制到EIB總線(xiàn)上。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)字信號(hào)通過(guò)SEND管腳發(fā)送到FZE1056，F(xiàn)ZE1056將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制變成模擬信號(hào)，發(fā)送到總線(xiàn)上。同時(shí)FZE1056接收EIB總線(xiàn)上的模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)QREC管腳發(fā)送出。FPGA在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)接收QREC管腳的信號(hào)來(lái)判斷發(fā)送1 bit色數(shù)據(jù)是否成功。

　 FPGA負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)送的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成串行數(shù)據(jù)，發(fā)送給FZE1056。同時(shí)FPGA也接收來(lái)自FZE1066的串行數(shù)據(jù)，并將其處理成8位的并行數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給MCU。FPGA內(nèi)部功能模塊可以分成發(fā)送模塊、接收模塊和信號(hào)合法性檢測(cè)模塊。
　 FPGA在向總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí),也接收來(lái)自總線(xiàn)的數(shù)據(jù)，邊發(fā)送邊檢測(cè)，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)不一致時(shí)，說(shuō)明總線(xiàn)正忙，BUSY線(xiàn)將輸出低電平。此時(shí)說(shuō)明系統(tǒng)申請(qǐng)總線(xiàn)失敗，退出發(fā)送，進(jìn)入等待狀態(tài)。
　 FPGA接收來(lái)自總線(xiàn)的數(shù)據(jù)時(shí)，ROE管腳為低電平，處于接收使能狀態(tài)，WOE管腳為高電平，發(fā)送模塊處在禁止?fàn)顟B(tài)。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，也要進(jìn)行數(shù)據(jù)的合法性檢測(cè)。接收完1幀數(shù)據(jù)后，要進(jìn)行奇偶檢驗(yàn)。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完成，并且奇偶校驗(yàn)正確時(shí)，INT為低電平，通知MCU有數(shù)據(jù)接收完成，等待讀取。當(dāng)檢測(cè)到接收的數(shù)據(jù)不合法或奇偶檢驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，ERR為低電平，通知MCU，當(dāng)前數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤。
    MCU也包括3個(gè)功能部分:發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模塊、功能定義模塊和RS485模塊。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模塊用于向FPGA發(fā)送8 bit的數(shù)據(jù)和接收來(lái)自FPGA的8 bit數(shù)據(jù)。功能定義模塊通過(guò)串口和PC機(jī)相連。MCU處于編程模式時(shí)，PC機(jī)軟件通過(guò)串口將編譯好的系統(tǒng)功能發(fā)送給MCU。MCU將系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)存在EEPROM中，上電重啟時(shí)，當(dāng)功能數(shù)據(jù)較小時(shí)，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)拷貝到一個(gè)大的數(shù)據(jù)中，需要時(shí)，從此數(shù)組中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)功能數(shù)據(jù)較大時(shí)，只拷貝一部分?jǐn)?shù)據(jù)到大的數(shù)組中，當(dāng)需要的數(shù)據(jù)不在數(shù)組中時(shí)，再拷貝余下的部分到數(shù)組中。RS485模塊，主要是兼容RS485的設(shè)備，功能與EIB是一樣的，只是連接的總線(xiàn)不一樣。
3.2 電容式觸摸感應(yīng)按鍵
    觸摸按鍵的原理：在任何兩個(gè)導(dǎo)電的物體之間都存在電容，電容的大小與介質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)、極板的大小與導(dǎo)電性質(zhì)、極板周?chē)欠翊嬖趯?dǎo)電物質(zhì)等有關(guān)。PCB 板(或者FPC)之間兩塊露銅區(qū)域就是電容的兩個(gè)極板，相當(dāng)于一個(gè)電容器。當(dāng)人體的手指接近PCB 時(shí)，由于人體的導(dǎo)電性，會(huì)改變電容的大小。觸摸按鍵芯片檢測(cè)到電容值大幅升高后，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。
    本系統(tǒng)采用IQS221設(shè)計(jì)的電容式觸摸感應(yīng)按鍵，該芯片有如下技術(shù)特點(diǎn)：(1)一個(gè)IQS221芯片可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)45個(gè)觸摸按鍵；(2)輸出支持直接電平Direct、BCD 編碼、SPI； (3)自動(dòng)環(huán)境補(bǔ)償，內(nèi)嵌Regulator；(4)接近感應(yīng)、觸摸靈敏度可調(diào)整；(5)可以穿透絕緣面板(如塑料或玻璃等)感應(yīng)觸摸。
    一個(gè)按鍵控制器上可以接一個(gè)按鍵模塊，也可以接多個(gè)按鍵模塊，當(dāng)接多個(gè)按鍵模塊時(shí)，按鍵控制器與鍵盤(pán)設(shè)備之間的通訊采用主動(dòng)輪詢(xún)的方式，按鍵控制器發(fā)送命令的格式隨按鍵控制器與鍵盤(pán)設(shè)備的不同聯(lián)接狀態(tài)而變化。
3.3 調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路
    如圖4所示是調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路部分，它接收來(lái)自串口的命令字。這些命令字接收后，經(jīng)過(guò)處理獲得PWM的參數(shù)，MCU將產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)。PWM經(jīng)過(guò)后一級(jí)電路處理后，輸出的是PWM有效值大小的直流信號(hào)。這個(gè)直流信號(hào)的0~10 V之間，它用于控制可調(diào)光整流器。調(diào)光整流器輸出交流信號(hào)，最終控制燈光的亮度。

    一個(gè)完整的調(diào)光模塊需要EIS1、EIS2和EIS6。其中EIS1是開(kāi)關(guān)控制規(guī)范，由一個(gè)bit表示開(kāi)關(guān)；EIS6是百分比，由一個(gè)8 bit的數(shù)據(jù)表示0%-100%，用于調(diào)光值的表示；EIS2是調(diào)光規(guī)范，包含如下3個(gè)子功能[4]。
    Position(開(kāi)關(guān)位置)：此功能決定調(diào)光執(zhí)行器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。每次切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)或通過(guò)縱向?qū)懭隤osition狀態(tài)時(shí),調(diào)光執(zhí)行器將向總線(xiàn)發(fā)出一個(gè)發(fā)生請(qǐng)求信號(hào)，然后將狀態(tài)值以相同組地址發(fā)送。
    Control(相對(duì)調(diào)光)：如圖5所示，此功能用于遞增或遞減一個(gè)調(diào)光的步進(jìn)值(相對(duì)調(diào)光)。調(diào)光執(zhí)行器可利用其子功能開(kāi)啟執(zhí)行器，但無(wú)關(guān)斷功能[2]。

    Value(絕對(duì)調(diào)光)：如圖6所示，此子功能可直接對(duì)調(diào)光執(zhí)行器設(shè)定目標(biāo)值(絕對(duì)調(diào)光)。調(diào)光執(zhí)行器可利用其子功能對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行接通或關(guān)斷。
    EIB技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)于中國(guó)用戶(hù)是全新的概念和系統(tǒng)，系統(tǒng)集成商和最終用戶(hù)需要通過(guò)越來(lái)越多的實(shí)際項(xiàng)目來(lái)熟悉該系統(tǒng)。作為開(kāi)放和集成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，EIB系統(tǒng)在中國(guó)有著良好的應(yīng)用前景，將為中國(guó)的智能建筑領(lǐng)域同國(guó)際接軌起到推動(dòng)作用。
    本系統(tǒng)采用FPGA和單片機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)EIB的BCU部分，使得系統(tǒng)具有強(qiáng)大的兼容性和開(kāi)放性，可通過(guò)硬件接口同樓字自控系統(tǒng)、物業(yè)管理系統(tǒng)、安防系統(tǒng)集成，符合智能大廈的發(fā)展趨勢(shì)，靈活性更強(qiáng)。采用FPGA的并行性，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)
[1] 邢詒俊, 龍?zhí)焱? 陳富節(jié). EIB技術(shù)基本原理及應(yīng)用[J].華南金融電腦應(yīng)用技術(shù)，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(rùn), 金毅.基于EIB協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)[J]. 電子技術(shù), 2003(10):32-35.
[4] 郭銳. EIB智能建筑與調(diào)光系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)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.