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簡(jiǎn)述ARM微處理器的隧道照明智能控制器

電子工程師 ? 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 ? 作者:錢(qián)懷風(fēng) ? 2021-05-26 15:25 ? 次閱讀

引 言

隧道是高速公路的重要組成部分,隧道照明系統(tǒng)是車輛能夠安全地進(jìn)入、通過(guò)和離開(kāi)隧道區(qū)域必不可少的基本保證。目前長(zhǎng)隧道的照明分為入口段、過(guò)渡段、基本段、出口段,每段的燈具按功能又分為應(yīng)急燈、全日燈和加強(qiáng)燈三種。應(yīng)急燈除在停電時(shí)用作應(yīng)急照明外還兼作全日照明,全日燈24小時(shí)不間斷工作,加強(qiáng)燈根據(jù)洞口不同的亮度來(lái)開(kāi)啟。

隧道內(nèi)不同區(qū)域的亮度要求各不相同,它們和洞外亮度、交通流量、洞內(nèi)廢氣的多少、行車速度、燈具的養(yǎng)護(hù)周期等諸多因素有關(guān),甚至與路面的材料和洞壁的裝修材料有關(guān)。這些燈的控制目前基本上是靠開(kāi)關(guān)照明回路來(lái)進(jìn)行控制的。一般隧道都有七八個(gè)照明控制回路,建設(shè)投資大,施工難度高,隧道開(kāi)通后管理者僅能在有限的回路里進(jìn)行控制,很難兼顧到運(yùn)營(yíng)成本和隧道安全。

我們采用Philips公司(編者注:現(xiàn)更名為NXP公司)的基于ARM7 TDMI-S 內(nèi)核的微控制器LPC2119設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能照明控制器,應(yīng)用在高速公路隧道照明CAN網(wǎng)絡(luò)中,較好地解決了隧道照明初期投資、運(yùn)營(yíng)成本和隧道安全之間的矛盾,收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

隧道照明系統(tǒng)CAN 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

CAN(控制器局域網(wǎng))是當(dāng)今國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線最初是由德國(guó)Bosch公司為汽車的檢測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于CAN總線具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想、良好的功能特性和極高的可靠性,現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng),已由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO制訂了CAN總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

CAN協(xié)議是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI基礎(chǔ)上,主要工作在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。用戶可在其基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際需要開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用層通信協(xié)議。CAN總線信號(hào)的傳輸可采用雙絞線、同軸電纜或光纖,最高通信速率可達(dá)1Mbps,數(shù)據(jù)傳輸在5Kbps 時(shí),傳輸距離可達(dá)到10Km。一個(gè)CAN網(wǎng)段上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可達(dá)110個(gè),還可通過(guò)CAN網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋延伸網(wǎng)段或和其他各種網(wǎng)絡(luò)互連互通。

CAN總線的這些特點(diǎn)使得其很適宜應(yīng)用在條件苛刻的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)或照明控制系統(tǒng)中。高速公路隧道照明控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)主要由上位機(jī)、智能照明控制器、CAN網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋等構(gòu)成(圖1)。

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圖1 隧道照明控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

上位機(jī)為PC機(jī),內(nèi)插PC-CAN 接口卡,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€結(jié)構(gòu),傳輸介質(zhì)采用雙絞線,為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,在傳輸介質(zhì)和智能控制器之間采取了光電隔離。上位機(jī)并與隧道車輛檢測(cè)器群和光強(qiáng)檢測(cè)儀相連,配以我們開(kāi)發(fā)的相應(yīng)軟件,對(duì)整個(gè)隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。

軟件的控制策略如下:在沒(méi)有車輛進(jìn)入隧道時(shí),根據(jù)光強(qiáng)檢測(cè)儀所檢測(cè)到的洞內(nèi)外光強(qiáng)差值,在隧道內(nèi)只開(kāi)啟相應(yīng)的基本照明,當(dāng)車輛檢測(cè)器檢測(cè)到車輛將進(jìn)入隧道時(shí),開(kāi)啟隧道洞口的加強(qiáng)照明,當(dāng)車輛進(jìn)入隧道后,則將車輛前面一段相應(yīng)距離的加強(qiáng)照明開(kāi)啟,一旦后面無(wú)車輛跟進(jìn),則將汽車身后的加強(qiáng)照明關(guān)閉。

同時(shí)利用光強(qiáng)儀還可判斷晴天、陰天、白天、晚上而開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)的照明。可對(duì)單個(gè)的照明進(jìn)行單控也可對(duì)區(qū)域照明進(jìn)行群控??刂撇呗噪S時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。這樣節(jié)約了大量的電能,有效的降低了運(yùn)營(yíng)成本。

智能照明控制器硬件設(shè)計(jì)

圖1是本智能控制器的總體設(shè)計(jì)框圖,主要由CPU模塊、電源模塊、通信模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、開(kāi)關(guān)控制模塊等組成。通信模塊將所有的控制器連接成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò),便于值班員在監(jiān)控室對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,光強(qiáng)、溫度、電流檢測(cè)則是通過(guò)對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的檢測(cè)來(lái)判斷設(shè)備的工作情況,開(kāi)關(guān)控制模塊則是通過(guò)光電耦合、大功率可控硅開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制的。

CPU 模塊

本智能控制器的核心采用了Philips公司的LPC2119微處理器,其采用ARM公司 ARM7TDMI-S 內(nèi)核,基于RISC精簡(jiǎn)指令集的微處理器,具有32位總線寬度,內(nèi)置16KB的SRAM,128 KB Flash 存儲(chǔ)器。通過(guò)片內(nèi)PLL對(duì)片外晶振的倍頻,可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz 的 CPU 操作頻率。

同時(shí)通過(guò)片內(nèi)Boot裝載程序可實(shí)現(xiàn)ISP在系統(tǒng)編程和IAP在應(yīng)用編程功能。由于LPC2119 較小的64引腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、4 路10位ADC、2路CAN、8路10位ADC、以及多達(dá)9 個(gè)外部中斷使它們能很好的滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

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圖2 智能照明控制器框圖

電源模塊

LPC2119 為雙電源,CPU 操作電壓范圍:1.65~1.95 V(1.8 V± 0.15 V),I/O 操作電壓范圍:3.0~3.6 V(3.3 V± 10%),可承受5V 電壓,而溫度傳感器和光電傳感器光耦隔離器均需5V直流電源驅(qū)動(dòng),故在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)必須提供5V、3.3V和1.8V的直流電源。在電源電路里加入了整流橋和穩(wěn)壓模塊,并采用電源隔離器B0505S將輸入和輸出電源相隔離,以屏蔽電源噪聲的影響。

通信模塊

高速公路中長(zhǎng)隧道一般都在1至2公里左右,特長(zhǎng)隧道甚至達(dá)到十幾公里。隧道燈的數(shù)量也從數(shù)百盞至數(shù)千盞不等。加上隧道內(nèi)環(huán)境條件惡劣,而RS-485通信存在抗干擾能力差,誤碼率高,無(wú)糾錯(cuò)重發(fā)機(jī)制,通信距離短,不方便擴(kuò)展等缺點(diǎn),因此這里采用RS485通信網(wǎng)絡(luò)并不合適。LPC2119內(nèi)部集成了2個(gè)CAN控制器,這給我們采用CAN網(wǎng)絡(luò)提供了便利。

CAN通信速率高、開(kāi)放性好、通信距離長(zhǎng),且具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn),與其它通信總線相比,CAN總線數(shù)據(jù)通信具有突出的高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。我們通過(guò)CAN總線還可以把通風(fēng)機(jī)、車行橫洞卷簾門(mén)等相關(guān)設(shè)備的控制集成在一起。

光強(qiáng)、溫度、電流檢測(cè)模塊

LPC2119 內(nèi)部集成了四路10位A/D轉(zhuǎn)換器,這就給光強(qiáng)、溫度、電流檢測(cè)提供了極大的便利。光強(qiáng)檢測(cè)是通過(guò)光敏三極管來(lái)檢測(cè)環(huán)境亮度參數(shù)提供給主程序進(jìn)行自動(dòng)控制,也可通過(guò)此參數(shù)判斷光源的好壞。溫度參數(shù)提供設(shè)備本身和周邊環(huán)境溫度,以求設(shè)備安全可靠的工作。電流參數(shù)則是對(duì)光源的工作狀態(tài)進(jìn)行不斷的監(jiān)測(cè),交流信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器、信號(hào)調(diào)理后直接送入LPC2119內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電流參數(shù)的采集和變換。

開(kāi)關(guān)控制模塊

LPC2119提供了多達(dá)46個(gè)通用的I/O 口,因此對(duì)照明燈進(jìn)行控制是非常方便的。一個(gè)照明控制器可以根據(jù)實(shí)際情況分別或同時(shí)控制4盞、8盞、16盞照明燈。LPC2119是通過(guò)固態(tài)繼電器來(lái)對(duì)照明燈進(jìn)行控制的。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性,本照明控制器采用了光電隔離技術(shù),所有的輸出均采用了光電耦合器將干擾信號(hào)隔離,有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)由于CPU 的I/O驅(qū)動(dòng)能力有限,一般不足以驅(qū)動(dòng)一些電磁執(zhí)行器件,需加接驅(qū)動(dòng)接口電路,為避免系統(tǒng)受到干擾,須采取隔離措施。如本例晶閘管所在的主電路是交流強(qiáng)電回路,電壓較高,電流較大,不易與CPU 直接相連,可應(yīng)用光耦合器將CPU的控制信號(hào)與晶閘管觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

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圖3 雙向可控硅隔離驅(qū)動(dòng)

結(jié)語(yǔ)

本文介紹的智能照明控制器性能穩(wěn)定,工作可靠。同時(shí)可通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)結(jié)合光強(qiáng)儀、車輛檢測(cè)器等進(jìn)行智能控制,在隧道的建設(shè)或改造中,都可以使隧道照明的回路減到最少,不僅節(jié)約了初期投資,而且在運(yùn)行期間可以大大的節(jié)約電能消耗。本智能照明控制器已開(kāi)發(fā)出單回路、雙回路、四回路、八回路等系列產(chǎn)品,并已搭建成模擬網(wǎng)絡(luò)通過(guò)了測(cè)試,目前正在與某高速公路隧道業(yè)主商談實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

1. LPC2119 User Manual 。

2. 周立功,ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐,北京航空航天大學(xué)出版社,2003

3. 鄔寬明,CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),北京航空航天大學(xué)出版社,1997

編輯:jq

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