基于ARM單片機載波照明控制器的設(shè)計

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現(xiàn)。針對這一問題，文中設(shè)計了一種基于ARM單片機載波照明控制器。

1 控制器的硬件設(shè)計

隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，STM32F103RBT6增強型LQFP64單片機[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。基于以上優(yōu)點，文中設(shè)計了一種基于ARM單片機的載波照明控制器，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增強型LQFP64單片機為控制核心，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，實現(xiàn)實時監(jiān)控多盞燈中任一盞燈的亮滅及實時保護整個照明系統(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、單片機控制部分、LCD顯示部分、漏電保護部分和負(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再送給單片機的ADC_IN口，經(jīng)單片機分析和判斷，能及時控制接觸器KM1-1-3的開與閉，從而保護整個照明系統(tǒng)。

工作原理：電力線載波信號經(jīng)耦合電路、接收電路，進入SCll28模塊，經(jīng)過處理后，送入單片機ADC_IN口，由單片機程序?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，實時控制燈的亮與滅，與此同時單片機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

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、漏電保護裝置、開關(guān)電源電路、載波照明控制器的保護插件和負(fù)載電路等組成。其主要實現(xiàn)外圍電路和內(nèi)圍電路的接口連接，進一步完善電路設(shè)計。

1.3 內(nèi)部電路的設(shè)計

STM32F 103RBT6單片機與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)計要求，文中選用STM32F103RBT6增強型LQFP64單片機、STC12C5620AD單片機、SC1128的電力線載波通信芯片和OCMJ4X8C型液晶顯示模塊。

1.3.2 SCll28與單片機接口

在載波發(fā)射模塊中，STM32F103RBT6單片機與SCll28芯片的接口連接關(guān)系如圖3所示。圖中，STM32F103RBT6增強型LQFP64單片機通過14腳PA0、15腳 PA1和16腳 PA2引腳對SCll28的41腳 CS、40腳 SETCLK、39腳LINE進行設(shè)置，以實現(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入SCll28的一級運算放大器（13腳），經(jīng)過處理后供單片機處理，數(shù)據(jù)由單片機送至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)計如圖5所示。本文通過單片機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)計時取電力線的阻抗為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 漏電保護原理

圖3 STM32F103RBT6單片機與SCll28的引腳接口Fig.3 Pins interface of STM32F103RBT6 microcontroller and SCll28

圖4 STC12C5620AD單片機與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裝置，即當(dāng)電網(wǎng)的某一支路發(fā)生漏電時，漏電保護系統(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。這樣就需要及時監(jiān)測電力線中的電阻值、電壓值及電流值。設(shè)計的采樣保護電路如圖6、7所示。

圖6 漏電保護電阻、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)計電源模塊如圖8所示。

圖7 漏電保護接口控制電路圖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

文中根據(jù)STM32系列的單片機特點，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，可進行在線仿真。文中軟件程序設(shè)計主要是單片機檢漏保護模塊程序、電力線接口模塊程序、單片機控制負(fù)載程序和LCD顯示模塊程序的設(shè)計。單片機檢漏保護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，進行端口的設(shè)置，對接收的數(shù)據(jù)或命令進行設(shè)定值比較，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理子程序，顯示致?lián)３绦蛄鞒虉D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單片機和載波通信芯片SC1128，設(shè)計了一種基于ARM單片機載波照明控制器。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，實現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)化，同時通過電力線載波傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了井下載波照明的智能控制，同時也證明了電力線載波通信技術(shù)具有更好的適應(yīng)性和先進性，進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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