一種基于LM3S9B96通用配電控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張宏強(qiáng)，吳婉蘭，施永柱，劉 麗

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

一種基于LM3S9B96通用配電控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張宏強(qiáng)，吳婉蘭，施永柱，劉 麗

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

介紹了一種基于Conterx-M3的ARM芯片LM3S9B96的通用配電控制器的解決方案。采用構(gòu)建的智能控制平臺(tái)，對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)以太網(wǎng)和RS422接口實(shí)現(xiàn)終端對(duì)配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，對(duì)負(fù)載異常情況進(jìn)行智能化處理，同時(shí)兼具遙控與本控模式，使得配電系統(tǒng)的可靠性、維修性大幅提高。

通用配電控制器；LM3S9B96；以太網(wǎng)

0 引 言

隨著現(xiàn)代軍事裝備對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備無(wú)人值守、智能化、集成化以及通用化等功能要求的不斷提高，軍事裝備的重要組成部分——配電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及高可靠性等方面的新要求。基于Contrex-M3 ARM架構(gòu)的新型嵌入式控制器LM3S9B96具備外圍接口豐富、內(nèi)部集成以太網(wǎng)MAC和PHY控制接口、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)快速簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使得基于LM3S9B96嵌入式控制器構(gòu)建的通用配電控制器完全能夠滿足上述配電控制系統(tǒng)的新要求。本配電控制器在配電現(xiàn)場(chǎng)對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)、RS232、RS422實(shí)現(xiàn)終端對(duì)配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有模塊化、通用化、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠容易滿足軍事裝備在環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等方面的特殊要求。

1 系統(tǒng)組成及要求

1.1 系統(tǒng)功能

本通用配電控制器主要由電源模塊、CPU模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、三相交流專(zhuān)用模塊、單相交流專(zhuān)用模塊以及專(zhuān)用顯示模塊等組成。各個(gè)模塊功能如下：

(1) 電源模塊主要用于給其他模塊提供DC 24V；

(2) CPU模塊主要用于接收各個(gè)輸入模塊的信息，同時(shí)發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)到各個(gè)輸出模塊，此外還負(fù)責(zé)由本模塊上的DC/DC芯片提供DC 5V給其他模塊；

(3) 數(shù)字量輸入模塊主要用于采集各個(gè)開(kāi)關(guān)、按鈕以及傳感器等開(kāi)關(guān)量信號(hào)；

(4) 數(shù)字量輸出模塊主要用于輸出繼電器信號(hào)，用于控制接觸器、指示燈等；

(5) 顯示模塊主要是完成對(duì)通用配電控制器所監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行顯示與控制；

(6) 接口模塊主要用于配電控制器通過(guò)特殊接口(如CAN-Bus等)與設(shè)備終端等系統(tǒng)進(jìn)行通訊；

(7) 電壓測(cè)量模塊主要用于檢測(cè)2路三相交流電，1路單相交流電的電壓。

1.2 接口要求

(1) 以太網(wǎng)接口：與終端通過(guò)UDP協(xié)議進(jìn)行通訊；

(2) RS232：具備Modbus-RTU協(xié)議，主要與專(zhuān)用顯示模塊進(jìn)行通訊；

(3) RS422：與設(shè)備終端按照自定義通訊協(xié)議進(jìn)行通訊；

(4) CAN-Bus：CPU模塊與其他模塊通過(guò)CAN-Bus進(jìn)行通訊。

2 系統(tǒng)控制原理

配電控制系統(tǒng)采用本通用配電控制器加接觸器的模式向各路負(fù)載提供50Hz 380V和50Hz 220V的供電電源，并對(duì)相應(yīng)負(fù)載的電源電壓及工作狀態(tài)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示，具有實(shí)時(shí)報(bào)警、詳細(xì)記錄等功能。同時(shí)，本配電控制系統(tǒng)可以遙控相應(yīng)負(fù)載的啟動(dòng)和停止；可以在遠(yuǎn)程終端上查詢各路負(fù)載的相關(guān)信息，盡早發(fā)現(xiàn)和消除隱患，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)故障；也可以在顯示模塊上給調(diào)試維修人員提供負(fù)載相關(guān)信息，方便測(cè)試，處理故障，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

基于通用配電控制器的配電系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)與選型

通用配電控制器的總體框圖如圖2所示。

圖1 配電系統(tǒng)框圖

圖2 通用配電控制器框圖

(1) CPU模塊

該模塊是本通用控制器的核心模塊，基于Contrex-M3架構(gòu)的LM3S9B96控制器,帶RS232接口、RS422、以太網(wǎng)接口、SD卡、EEPROM、CAN-Bus接口等[1]。其硬件框圖如圖3所示。

(2) 數(shù)字量輸入模塊

該模塊基于AT89S52，通過(guò)74LS165結(jié)合光電隔離器擴(kuò)展為16路DI，24 VDC,1ms濾波,支持漏式/源式接線方式。其硬件框圖如圖4所示。

(3) 數(shù)字量輸出模塊

該模塊基于AT89S52 MCU，通過(guò)74LS164+光電隔離器+繼電器，擴(kuò)展為16路繼電器輸出,240VAC/24VDC,2.5 A。其硬件框圖如圖5所示。

圖3 CPU模塊硬件框圖

圖4 數(shù)字量輸入模塊硬件框圖

圖5 數(shù)字量輸出模塊硬件框圖

(4) 顯示模塊

該模塊基于AT89S52，用LED數(shù)碼管顯示，有四個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，用來(lái)調(diào)節(jié)和顯示。其硬件框圖如圖6所示。

圖6 顯示模塊硬件框圖

(5) 電壓測(cè)量模塊

該模塊用來(lái)測(cè)量三相/單相交流電壓。它是把配電系統(tǒng)各線路的輸入輸出電壓經(jīng)相應(yīng)的傳感器、AD采樣轉(zhuǎn)換后得到具體的電壓值，經(jīng)電壓檢測(cè)模塊進(jìn)行相關(guān)處理，發(fā)送給CPU模塊，使配電系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)負(fù)載電壓運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)載、欠壓等異常情況，保護(hù)負(fù)載。因此，采樣的精度和線性度對(duì)配電系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響。本系統(tǒng)所用的電壓傳感器采用的是24V雙電源供電，0～10V電壓型標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)輸出。其硬件框圖如圖7所示。

以上模塊都具有-40℃～70℃ 操作溫度的寬溫指標(biāo),三防加固,集成防松接線端子。

圖7 電壓測(cè)量模塊硬件框圖

圖8 軟件設(shè)計(jì)框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)本配電控制系統(tǒng)的控制原理及要求，設(shè)計(jì)了由不同功能的程序模塊組成的程序，如圖8所示。

(1) CPU模塊軟件設(shè)計(jì) 主要包括主控制程序、與終端接口通訊程序、與顯示模塊通訊程序和與其他模塊的CAN接口通訊程序。

(2) 顯示模塊軟件設(shè)計(jì) 包括主控制程序、按鍵檢測(cè)程序、顯示程序和RS232接口通訊程序。

(3) 數(shù)字量輸入模塊軟件設(shè)計(jì) 包括開(kāi)關(guān)量輸入檢測(cè)程序、CAN接口通訊程序。

(4) 數(shù)字量輸出模塊軟件設(shè)計(jì) 包括開(kāi)關(guān)量輸出控制程序、CAN接口通訊程序。

(5) 電壓測(cè)量模塊軟件設(shè)計(jì) 包括電壓測(cè)量程序、CAN接口通訊程序。

5 顯示界面設(shè)計(jì)

配電柜面板上設(shè)置了顯示模塊，完成整體配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，其大致外觀如圖9所示。

圖9 顯示界面

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用以基于LM3S9B96控制器的通用配電控制器為控制核心、接觸器作為輔助的配電柜設(shè)計(jì)，使用按鈕開(kāi)關(guān)操作，這樣減少了大量大功率機(jī)械開(kāi)關(guān)的使用，操作方便，安全可靠；同時(shí)，通過(guò)專(zhuān)用顯示模塊監(jiān)控配電控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，提高了系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化，有利于整個(gè)系統(tǒng)的升級(jí)與維護(hù)。

[1] Stellaris? LM3S9B96微控制器中文數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京銳鑫同創(chuàng)科技有限公司,2001.

[2] 張培仁.基于C語(yǔ)言編程的MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003.

[3] 沙占友，孟志永，王彥鵬.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

Design and implementation of a universal distribution controller based on LM3S9B96

ZHANG Hong-qiang, WU Wan-lan, SHI Yong-zhu, LIU Li

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The solution of a universal distribution controller based on the LM3S9B96 of the Conterx-M3 ARM chip is introduced. The intelligent control platform is built to monitor the distribution system in real-time. With RC/LC modes, the terminal can monitor the distribution system remotely and process the abnormal load intelligently via the Ethernet and the RS422 interface, which remarkably improve the reliability and maintainability of the system.

universal distribution controller; LM3S9B96; Ethernet

2014-06-05；

2014-07-04

張宏強(qiáng)(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向：伺服控制與嵌入式系統(tǒng)；吳婉蘭(1979-)，女，工程師，碩士，研究方向：伺服控制與嵌入式系統(tǒng)；施永柱(1987-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)；劉麗(1988-)，女，助理工程師，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

TN820.3

A

1009-0401(2014)03-0048-04