基于STM32F030 和電力載波的電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源管理設(shè)計(jì)*

劉志斌，龍 劍

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

在高校實(shí)驗(yàn)室中，一般有利用電氣方面的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，或提供電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在管理電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)，存在的一些現(xiàn)象，比如需要對每臺設(shè)備的使用情況都進(jìn)行記錄，個(gè)別學(xué)員跨機(jī)操作等，使得當(dāng)設(shè)備較多時(shí)，管理工作量大，難度增加。

對每臺電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備嵌入一個(gè)電源管理單元模塊，由主控設(shè)備或稱之為主控器發(fā)出控制命令，電源管理模塊接收并響應(yīng)。完成對其所在的電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備電氣運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，控制該實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源通斷，響應(yīng)學(xué)員刷卡請求等功能，從而可以實(shí)現(xiàn)對電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)記錄，學(xué)員刷卡操作。電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備嵌入了電源管理模塊，達(dá)到減少電氣實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備管理的工作量，智能管理的目的。

使用電力載波通信，是因?yàn)樵摷夹g(shù)的最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。電力載波通信即PLC，是英文Power line Communication 的簡稱。電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線上，將模擬或數(shù)字信號通過載波調(diào)制方式，進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)［1］。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的電源管理模塊是嵌入到電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部的，通過電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用的電源線聯(lián)連到主控器，從而實(shí)現(xiàn)異地控制。在有多臺電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)由多個(gè)電源管理模塊和一個(gè)主控器組成的，其組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

從圖中可以看出，完成電源的管理需要一個(gè)或多個(gè)電源管理模塊，一個(gè)主控器。在該結(jié)構(gòu)中，嵌入的電源管理模塊一面要通過電源線路與主控器進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，接收和執(zhí)行主控器發(fā)過來的命令，一面要對電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，接收刷卡信息，控制電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源的通斷。

圖1 電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源智能管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

主控器發(fā)出信息收集命令、允許開放實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源、實(shí)行顯示各實(shí)驗(yàn)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、記錄使用情況，可以通過通信口與微機(jī)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)微機(jī)監(jiān)控操作。

嵌入的電源控制模塊使用STM32 系列32 位ARM 微控制器作為控制部件，通過本身自帶的A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬通道切換、啟動(dòng)采樣、采樣數(shù)據(jù)的保存等，再通過電力載波通信將電源的電壓、電流、電源通斷等信息傳給主控器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嵌入的電源控制模塊根據(jù)其要完成的功能任務(wù)，模塊電路由電力載波通信模塊與接口電路、ARM 微控制器與A/D采集電路、實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源通斷驅(qū)動(dòng)電路、拔碼開關(guān)電路、RFID 讀卡模塊等幾部分組成。主控器硬件電路與之稍有不同，少了通斷驅(qū)動(dòng)電路，多了人機(jī)界面以及與微機(jī)通信的串行接口電路，之后不再對其進(jìn)行描述。嵌入的電源控制模塊其系統(tǒng)的硬件電路如圖2 所示。

圖2 電源控制模塊硬件電路圖

2.1 ARM 微控制器與A/D 采集電路

微控制器采用型號為STM32F030 的32 位芯片。它是意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的STM32 F0 系列微控制器其中一款，基于48 MHz 的ARM Cortex－M0 處理器內(nèi)核，內(nèi)置12位1 Msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1.2 V 內(nèi)部參考電壓電路、通信外設(shè)、溫度傳感器和定時(shí)器［2］。其中定時(shí)器支持ADC 同步、實(shí)時(shí)管理和電機(jī)控制脈寬調(diào)制(PWM)時(shí)序功能。一向是以高性能、低價(jià)格為最大賣點(diǎn)。

該芯片所帶的A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬信號通過PA 口(PA0－PA1)輸入，經(jīng)內(nèi)部通道選擇并送入A/D 轉(zhuǎn)換器。由于單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D 轉(zhuǎn)換，所以外部電路可以大大簡化，前級只須做好緩沖放大，將信號電平控制在0 V～3.3 V 之間即可。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源通斷驅(qū)動(dòng)電路

電源控制模塊收到主控器發(fā)出允許開放設(shè)備電源命令之后，等待并成功獲得RFID 刷卡信息，回送主控器，主控器經(jīng)過授權(quán)，發(fā)送立即開放設(shè)備電源命令。電源控制模塊輸出接通實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源的控制信號給通斷驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)交流接觸器，給實(shí)驗(yàn)設(shè)備通電。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備通電過程，驅(qū)動(dòng)信號輸出的高電平先送給信號放大三極管，經(jīng)放大再送給光耦可控硅，使其導(dǎo)通，將市電接通到交流接觸器，從而開通實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源。

關(guān)閉電源時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號為低電平，它經(jīng)三極管后，停止導(dǎo)通光耦，交流接觸器失電，斷開實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源。

2.3 電力載波通信模塊與接口電路［3］

電力載波通信模塊采用了型號為BWP11B 的模塊電路，該模塊使用16 V/5 V 的雙電源供電模式，是一款嵌入式電力線調(diào)制解調(diào)器或電力線MODEM，它所使用的載波中心頻率為200 kHz，載波傳輸波特率在100 bps～600 bps 之間有幾個(gè)檔可設(shè)置。信息傳輸時(shí)，采用半雙工通信方式。模塊采用擴(kuò)頻編碼方式，有著較高的抗干擾能力，在電力線路為輕負(fù)載條件時(shí)，傳輸距離可大于1 000 m。如需傳輸更遠(yuǎn)距離，可使用中繼方式。其載波模塊接口如圖3 所示。

圖3 載波模塊接口示意圖

其中模塊引腳1 為V +，是載波功放電源，使用電壓范圍9 V～18 V。2 腳、3 腳為模塊提供工作電源。4 腳為模塊使能輸入端，為了讓模塊處于工作狀態(tài)，該引腳接高電平或者懸空，否則，模塊串口處于高阻態(tài)。6、7 腳是與微控制器通信的串口收發(fā)線。8 腳復(fù)位輸入。L、N 為電力線接口，與交流線連接時(shí)，可以不區(qū)分零線與相線，不影響正常通訊。另外，模塊中采用三只發(fā)光二極管指示模塊工作狀態(tài)。

2.4 設(shè)備識別與設(shè)備使用人員識別

多個(gè)嵌入了電源控制模塊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備掛在同一段電力線上時(shí)，為讓主控集中器能辯識出是哪一個(gè)設(shè)備，在電源控制模塊硬件電路中使用了拔碼開關(guān)。每臺設(shè)備的拔碼開關(guān)處于不同的狀態(tài)，這就相當(dāng)于每個(gè)設(shè)備有了一個(gè)自己與眾不同的身份ID。主控集中器需要哪一個(gè)設(shè)備發(fā)出命令時(shí)，需在請求的數(shù)據(jù)中要指明設(shè)備的識別碼，也就是拔碼開關(guān)的狀態(tài)，這樣雖然所有設(shè)備都是可以收到了，但只有識別碼相同的設(shè)備才會(huì)響應(yīng)。

對于是否授權(quán)給當(dāng)前實(shí)驗(yàn)人員操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，電源控制模塊還加入了RFID 讀卡模塊。使用設(shè)備之前，需刷卡操作，電源控制模塊獲得卡片信息，發(fā)送給主控器，主控器經(jīng)由實(shí)驗(yàn)管理人員授權(quán)，或卡片信息在允許使用之列，主控器會(huì)發(fā)出立即通電命令，開通實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源。從而避免無關(guān)人員隨意使用設(shè)備的情況。使用RFID 方式，是因?yàn)槠渚哂袩o線不需接觸，無磨損，維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

3 基于MDK 的ARM 微控制器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 MDK 開發(fā)軟件

RealView MDK 開發(fā)套件源自德國Keil 公司，是ARM 公司目前最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。RealView MDK 集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括μVision3 集成開發(fā)環(huán)境與RealView 編譯器。支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex－M3 核處理器，自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash 燒寫模塊，強(qiáng)大的Simulation 設(shè)備模擬，性能分析等功能。因此，由Keil MDK 這個(gè)集成開發(fā)軟件來實(shí)現(xiàn)軟件的編寫與調(diào)試。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

意法半導(dǎo)體(ST)公司對其STM32F030 芯片的有著豐富的編程支持，其豐富的產(chǎn)品線、功能強(qiáng)大的軟件庫加之長年積累下來的種類龐大的各種應(yīng)用參考設(shè)計(jì)，這在使用STM32產(chǎn)品進(jìn)行編程設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)約了大量的時(shí)間。

電源控制模塊的軟件功能主要由開機(jī)自檢、RFID 讀卡模塊驅(qū)動(dòng)、電力載波通信模塊驅(qū)動(dòng)、設(shè)備電源通斷控制、主控器命令解析與響應(yīng)、電源運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集幾個(gè)方面構(gòu)成。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。由于用了電力載波通信，無需新增通信線路，便可實(shí)現(xiàn)對電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電源智能管理，達(dá)到了減少實(shí)驗(yàn)管理人員工作量，降低了工作難度的目的。

［1］房曙光，王平.電力載波通信控制終端設(shè)計(jì)［J］.今日電子，2006(3):75－78.

［2］李鵬.簡化家電和工業(yè)控制應(yīng)用開發(fā)任務(wù) 意法半導(dǎo)體(ST)發(fā)布STM32F0 系列［J］.家電科技，2012(6):12.

［3］劉志斌，龍劍，鄧經(jīng)緯.基于BWP11B 電力載波通信模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電技術(shù)，2013(6):41－44.