基于STM32的交通電源管理模塊設(shè)計(jì)

文/張中旭

交通設(shè)備的日益增多使我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)及其管理問(wèn)題越來(lái)越突出，智能化以及自動(dòng)化成為解決現(xiàn)階段交通問(wèn)題的一個(gè)重要技術(shù)手段。我國(guó)明確提出公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略 ，實(shí)現(xiàn)交通設(shè)備的高效管理和監(jiān)控，對(duì)提高城市公共交通系統(tǒng)效率有重要意義。目前交通電源設(shè)備管控系統(tǒng)可靠性低，管理性差，且布置分散化，運(yùn)維不便。因此，發(fā)展智能化的交通電源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交通設(shè)備故障的及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警，是十分必要的。

美國(guó)霍尼威爾公司的霍尼韋爾數(shù)字安防集成平臺(tái)HUS是該領(lǐng)域的經(jīng)典產(chǎn)品，是多級(jí)分布式綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。目前，單片機(jī)、ARM、嵌入式、可編程邏輯控制器、工業(yè)總線技術(shù)、DSP等被應(yīng)用其中以提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和集成度。

本文從提高城市公共交通控制系統(tǒng)的運(yùn)維效率出發(fā)，以STM32微控制器為核心，設(shè)計(jì)了一款用于室外交通電源機(jī)柜的電源管理模塊，具有斷電報(bào)警、斷網(wǎng)報(bào)警、以太網(wǎng)通信、GPRS通信、GPS定位、輸入信號(hào)量檢測(cè)、繼電器輸出等功能，對(duì)整個(gè)交通系統(tǒng)的設(shè)備正常工作起到預(yù)警和保護(hù)作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以顯著提高城市交通設(shè)備的運(yùn)維效率。

1 電源管理模塊總體設(shè)計(jì)

交通設(shè)備電源管控網(wǎng)的組成如圖1所示，主要由運(yùn)維管控平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、交通設(shè)備電源管控機(jī)柜、外圍設(shè)備等組成。當(dāng)設(shè)備的某些環(huán)境參量超出了正常范圍值，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出聲光警報(bào)，提醒操作人員處理，并對(duì)電源機(jī)柜進(jìn)行斷電保護(hù)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障數(shù)據(jù)將通過(guò)基站和核心交換機(jī)傳輸?shù)皆乒芸仄脚_(tái)，平臺(tái)會(huì)分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)而得出故障發(fā)生的原因、位置和頻率等，并在用戶(hù)PC終端以EXCEL表格形式導(dǎo)出。

圖1：交通設(shè)備電源管控網(wǎng)的組成

圖2：電源管理模塊總體設(shè)計(jì)

圖3：基于W5500的以太網(wǎng)網(wǎng)通信原理圖

電源管理模塊總體設(shè)計(jì)如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的電源管理模塊在交通設(shè)備電源管控機(jī)柜內(nèi)，負(fù)責(zé)采集機(jī)柜的電源和環(huán)境溫濕度、水浸、電源、網(wǎng)絡(luò)等參量和狀態(tài)，并通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆O(shè)備運(yùn)維管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)交通設(shè)備的遠(yuǎn)程無(wú)人值守。電源管理模塊的主控制芯片為STM32F407ZET6，具有掉電檢測(cè)、存儲(chǔ)、LED指示、按鍵以及網(wǎng)絡(luò)、GPRS通信、GPS定位等電路，能應(yīng)用于智能交通、城市治安、通信基站、戶(hù)外機(jī)柜等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、電氣控制及異常報(bào)警處理等功能。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

圖4：GPRS和GPS電路原理圖

圖5：信號(hào)量輸入捕獲電路原理圖

圖6：信號(hào)量輸出電路原理圖

硬件電路是以STM32F407VET6為核心設(shè)計(jì)，包括主控器電路、溫濕度測(cè)量模塊電路、以太網(wǎng)通信電路、RS485通信接口電路、信號(hào)量輸出電路、信號(hào)量輸入捕獲電路、GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信和GPS定位電路、程序下載電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、電源電路、超級(jí)電容充放電電路等。下面主要對(duì)以太網(wǎng)通信電路、GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信和GPS定位電路、信號(hào)量輸出電路、信號(hào)量輸入捕獲電路等進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信電路如圖3所示。其中W5500是一款嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器，集成了硬件TCP/IP通信協(xié)議棧，支持TCP、UDP、UPV4、ICMP、ARP、IGMP以及PPPoE協(xié)議。該芯片3.3V供電，IO口可耐受5V電壓，具有網(wǎng)絡(luò)喚醒和掉電兩種低功耗模式。電路在網(wǎng)口設(shè)計(jì)中添加了網(wǎng)絡(luò)變壓器HX1188NL，起到增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、隔離、耦合等作用，提高網(wǎng)絡(luò)通信電路的可靠性。

2.2 GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信和GPS定位電路設(shè)計(jì)

GPRS通信和GPS定位采用A7模塊，電路原理如圖4所示。A7模塊特點(diǎn)是覆蓋范圍廣、永久在線、按量計(jì)費(fèi)、傳輸穩(wěn)定支持透明傳輸。A7主控芯片集成度高，使用方便，只需一些簡(jiǎn)單的阻容器件，就能完成GPRS與GPS功能。電路由供電電路、主控芯片電路、復(fù)位電路、指示燈電路、SIM卡電路、以及雙排接線端子組成。

2.3 信號(hào)量輸入捕獲電路設(shè)計(jì)

信號(hào)量輸入捕獲電路用于檢測(cè)柜門(mén)是否開(kāi)啟、設(shè)備是否浸水、外圍設(shè)備的輸出狀態(tài)等，輸出控制電路可用于配合溫濕度檢測(cè)結(jié)果，控制風(fēng)扇、加熱棒等設(shè)備的電源開(kāi)關(guān)。電路原理如圖5所示，它采用了有源輸入與無(wú)源輸入共用隔離芯片的方式，通過(guò)焊接不同阻容器調(diào)整有源輸入和無(wú)源輸入兩種輸入方式，節(jié)省了空間和成本，并提高了電路的兼容性。

2.4 信號(hào)量輸出電路設(shè)計(jì)

信號(hào)量輸出電路中采用3A、額定電壓為12V的繼電器HK4100F，其動(dòng)作時(shí)間快，溫度范圍較廣，電路如圖6所示。限流電阻和高速開(kāi)關(guān)二極管1N4148用于保護(hù)光耦電路，起到斷電續(xù)流，以泄放繼電器斷電時(shí)電感的儲(chǔ)能。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用MDK-ARM平臺(tái)開(kāi)發(fā)，能夠支持ARM7、ARM9以及最新的Cortex-M3、Cortex-M4內(nèi)核處理器。軟件流程如圖7所示，微控制器上電后，首先對(duì)微控制器、外圍設(shè)備及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，然后創(chuàng)建任務(wù)及任務(wù)通信機(jī)制，啟動(dòng)調(diào)度后系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。系統(tǒng)有8項(xiàng)任務(wù)，分別是：RS485通信、開(kāi)關(guān)量輸入捕獲、開(kāi)關(guān)量輸出、GPRS無(wú)線通信、GPS定位、E2PROM存儲(chǔ)、W5500網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端通信、W5500網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端通信。每個(gè)任務(wù)都有優(yōu)先級(jí)及句柄，由任務(wù)調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級(jí)給每個(gè)任務(wù)分配微控制器的使用權(quán)，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

3 實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

根據(jù)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，制作出PCB板并進(jìn)行器件焊接，形成了電源管理模塊的樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)功能實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，主要包括：采集電源及環(huán)境參數(shù)、與自動(dòng)重合閘模塊485通信、與手持參數(shù)設(shè)置器進(jìn)行串口通信、與服務(wù)器觀看平臺(tái)進(jìn)行GPRS、GPS和以太網(wǎng)通信等，實(shí)驗(yàn)情況如圖8所示。

RS485通信波特率為9600bps，電源管理模塊可發(fā)送狀態(tài)查詢(xún)、故障查詢(xún)、重啟、開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)給自動(dòng)重合閘模塊，也可讀取其電源數(shù)據(jù)及控制界面，通信數(shù)據(jù)包設(shè)有包頭、指令碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)位。

設(shè)置器主要用于配置及查看電源管理模塊的以太網(wǎng)及GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、電源信息等。模塊與設(shè)置器采用標(biāo)準(zhǔn)串口通信，波特率為9600bps。圖8中顯示了模塊的電源信息及配置本地網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的調(diào)試情況。

GPS主要實(shí)現(xiàn)電源管理模塊的定位，GPRS功能在以太網(wǎng)中斷時(shí)可以及時(shí)發(fā)送故障信息到運(yùn)維平臺(tái)。通過(guò)軟件調(diào)試工具，可對(duì)GPRS進(jìn)行通信調(diào)試。通過(guò)以太網(wǎng)，電源管理模塊可主動(dòng)向服務(wù)器定時(shí)發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，也可接收管控平臺(tái)下發(fā)的操作指令。調(diào)試時(shí)使用TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)助手測(cè)試模塊作為客戶(hù)端和服務(wù)器端時(shí)的以太網(wǎng)通訊。相關(guān)通信及聯(lián)調(diào)情況如圖8所示。

4 總結(jié)

交通設(shè)備的高效管理和監(jiān)控對(duì)提高城市公共交通系統(tǒng)效率有重要意義，本文設(shè)計(jì)了一種用于室外交通電源機(jī)柜的交通設(shè)備電源管理模塊。模塊采用基于32位ARM處理器多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、電氣控制及異常報(bào)警處理等功能，對(duì)交通系統(tǒng)設(shè)備起到預(yù)警和保護(hù)作用。該模塊可為智能電控柜或其它監(jiān)控系統(tǒng)做配套使用；也可作為協(xié)處理部件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制、報(bào)警處理等功能，以擴(kuò)充主系統(tǒng)功能。

圖7：系統(tǒng)軟件流程圖

圖8：電源管理模塊實(shí)物及實(shí)驗(yàn)情況