基于ARM單片機(jī)載波照明控制器的設(shè)計(jì)

李士楊

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

近年來，隨著載波通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，低壓載波通信[1-3]在自動抄表、照明控制以及電力系統(tǒng)遙控監(jiān)測等方面得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于井下環(huán)境的特殊性，載波通信在井下難以實(shí)現(xiàn)。針對這一問題，文中設(shè)計(jì)了一種基于ARM單片機(jī)載波照明控制器。

1 控制器的硬件設(shè)計(jì)

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，STM32F103RBT6增強(qiáng)型LQFP64單片機(jī)[4-5]內(nèi)核是ARM32位的 Cortex-M3的CPU，此內(nèi)核是最新一代的ARM處理器，其提供了低成本平臺、低系統(tǒng)功耗、多輸入輸出口及A/D口，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)的處理能力和縮短了中斷系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。SC1128[6]是一款適合中國低壓電網(wǎng)特性的專用載波通信芯片，價(jià)位較低，并且其內(nèi)部集成了多功能的電路，提高了電力線通信的抗干擾及抗衰減能力?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了一種基于ARM單片機(jī)的載波照明控制器，該控制器與以往的電纜照明控制器相比，具有很好的優(yōu)越性。

1.1 結(jié)構(gòu)及其原理

載波照明控制器結(jié)構(gòu)如圖 1所示，它以STM32F103RBT6增強(qiáng)型LQFP64單片機(jī)為控制核心，以電力線載波通信芯片SC1128為基礎(chǔ)，輔以外圍接口電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控多盞燈中任一盞燈的亮滅及實(shí)時(shí)保護(hù)整個(gè)照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)包括電力線接口部分、載波信號的發(fā)射和接收部分、信號的調(diào)制解調(diào)部分、單片機(jī)控制部分、LCD顯示部分、漏電保護(hù)部分和負(fù)載部分。

漏電原理：隔離開關(guān)HK閉合，三相四線電與電抗器HL耦合產(chǎn)生耦合電流I，I經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換為電壓信號U，U再送給單片機(jī)的ADC_IN口，經(jīng)單片機(jī)分析和判斷，能及時(shí)控制接觸器KM1-1-3的開與閉，從而保護(hù)整個(gè)照明系統(tǒng)。

工作原理：電力線載波信號經(jīng)耦合電路、接收電路，進(jìn)入SCll28模塊，經(jīng)過處理后，送入單片機(jī)ADC_IN口，由單片機(jī)程序?qū)袅粱驕绲拿钚盘査徒oSC1128模塊，SC1128發(fā)出調(diào)相信號通過發(fā)射電路發(fā)送至電力線上，實(shí)時(shí)控制燈的亮與滅，與此同時(shí)單片機(jī)將燈亮與滅的信號送入液晶模塊顯示出相應(yīng)數(shù)據(jù)。

1.2 外圍電路的設(shè)計(jì)

載波照明控制器外圍電路圖如圖2所示，它主要有隔離開關(guān) HK、三相高/低壓隔爆型變壓器 660（1140）/127 V、漏電保護(hù)裝置、開關(guān)電源電路、載波照明控制器的保護(hù)插件和負(fù)載電路等組成。其主要實(shí)現(xiàn)外圍電路和內(nèi)圍電路的接口連接，進(jìn)一步完善電路設(shè)計(jì)。

1.3 內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)

STM32F 103RBT6單片機(jī)與SC1128的引腳接口如圖3所示。

1.3.1 主芯片選型

圖1 載波照明控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Carrier lighting controller structure schematic diagram

圖2 外圍電路圖Fig.2 Peripheral circuit diagram

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，文中選用STM32F103RBT6增強(qiáng)型LQFP64單片機(jī)、STC12C5620AD單片機(jī)、SC1128的電力線載波通信芯片和OCMJ4X8C型液晶顯示模塊。

1.3.2 SCll28與單片機(jī)接口

在載波發(fā)射模塊中，STM32F103RBT6單片機(jī)與SCll28芯片的接口連接關(guān)系如圖3所示。圖中，STM32F103RBT6增強(qiáng)型LQFP64單片機(jī)通過14腳PA0、15腳 PA1和16腳 PA2引腳對SCll28的41腳 CS、40腳 SETCLK、39腳LINE進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步輸入或輸出。

在載波接收模塊中，STC12C5620AD單片機(jī)與SCll28芯片的接口連接關(guān)系如圖4所示。

1.3.3 電力線接口電路

電力線接口電路的功能是SC1128芯片與電力線相耦合，主要包括耦合電路、接收電路（帶通濾波器和前級放大器）和發(fā)送電路（功率放大電路），其中耦合電路是電力線接口電路設(shè)計(jì)的核心部分。

電力線載波通信過程為：電力線載波信號經(jīng)過經(jīng)耦合電路、帶通濾波器和前級放大器進(jìn)入SCll28的一級運(yùn)算放大器（13腳），經(jīng)過處理后供單片機(jī)處理，數(shù)據(jù)由單片機(jī)送至SC1128芯片，經(jīng)其處理后由24腳發(fā)出調(diào)相信號通過功率放大器耦合電路發(fā)送至電力線上，再由單片機(jī)將電力載波芯片切換到接收狀態(tài)，完成信號在電力線上的發(fā)送接收過程。

耦合電路設(shè)計(jì)如圖5所示。本文通過單片機(jī)控制繼電器可選擇任意兩相低壓電力線與耦合電路連接，以減小載波信號傳輸中的各種干擾。該電路在設(shè)計(jì)時(shí)取電力線的阻抗為3～30 Ω，127 V電力線路側(cè)為T2的副邊，阻抗比為11/18。

1.3.4 漏電保護(hù)原理

圖3 STM32F103RBT6單片機(jī)與SCll28的引腳接口Fig.3 Pins interface of STM32F103RBT6 microcontroller and SCll28

圖4 STC12C5620AD單片機(jī)與SCll28的引腳接口Fig.4 Pins interface of STC12C5620AD microcontroller and SCll28

圖5 耦合電路Fig.5 Coupled circuit

煤礦井下環(huán)境特殊，供電電纜容易受到潮濕環(huán)境的影響以及外部損壞，其中大部分為對地絕緣損壞，所以文中采用附加直流電源型漏電保護(hù)裝置，即當(dāng)電網(wǎng)的某一支路發(fā)生漏電時(shí)，漏電保護(hù)系統(tǒng)僅使開關(guān)切斷漏電故障所在支路，并保證非漏電故障支路正常供電。這樣就需要及時(shí)監(jiān)測電力線中的電阻值、電壓值及電流值。設(shè)計(jì)的采樣保護(hù)電路如圖6、7所示。

圖6 漏電保護(hù)電阻、電壓、電流信號采集圖Fig.6 Signal acquisition figure of leakage protection resistance，voltage and current

1.3.5 電源模塊

本系統(tǒng)需要+12 V、+5 V、+3.3 V電壓，則設(shè)計(jì)電源模塊如圖8所示。

圖7 漏電保護(hù)接口控制電路圖Fig.7 Interface control circuit of leakage protection

圖8 電源模塊Fig.8 Power supply module

2 控制器的軟件設(shè)計(jì)

文中根據(jù)STM32系列的單片機(jī)特點(diǎn)，采用穩(wěn)定性較好的RVMDK3.80A版本的開發(fā)軟件，通過C語言編程，有ULINK2仿真器通過JTAG接口將程序下載到載波照明開發(fā)板上，可進(jìn)行在線仿真。文中軟件程序設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)檢漏保護(hù)模塊程序、電力線接口模塊程序、單片機(jī)控制負(fù)載程序和LCD顯示模塊程序的設(shè)計(jì)。單片機(jī)檢漏保護(hù)模塊程序主要完成電壓信號的采集、數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收中斷；電力線接口模塊程序主要完成SCll28初始化化、數(shù)據(jù)發(fā)送／接收中斷和看門狗復(fù)位；單片機(jī)控制負(fù)載程序主要完成數(shù)據(jù)發(fā)送/接收中斷；LCD顯示模塊程序主要完成數(shù)據(jù)的接收及顯示。主控部分主程序除了要完成電力線接口模塊程序的任務(wù)外，還要轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，進(jìn)行端口的設(shè)置，對接收的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行設(shè)定值比較，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理子程序，顯示致?lián)?。程序流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖Fig.9 Program flow chart

3 結(jié) 論

文中針對井下用電的特殊性，利用ARM單片機(jī)和載波通信芯片SC1128，設(shè)計(jì)了一種基于ARM單片機(jī)載波照明控制器。該控制器利用低壓電力線作為通信媒介，保障了電力線通信的可靠性，利用現(xiàn)有的電網(wǎng)資源，節(jié)約了成本，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)化，同時(shí)通過電力線載波傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了井下載波照明的智能控制，同時(shí)也證明了電力線載波通信技術(shù)具有更好的適應(yīng)性和先進(jìn)性，進(jìn)一步展示了低壓電力線載波通信的美好發(fā)展前景。

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