一種基于LM3S9B96通用配電控制器的設計實現

張宏強，吳婉蘭，施永柱，劉 麗

(中國船舶重工集團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計實現

張宏強，吳婉蘭，施永柱，劉 麗

(中國船舶重工集團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。采用構建的智能控制平臺，對配電系統進行實時監控，并通過以太網和RS422接口實現終端對配電系統的遠程監測，對負載異常情況進行智能化處理，同時兼具遙控與本控模式，使得配電系統的可靠性、維修性大幅提高。

通用配電控制器；LM3S9B96；以太網

0 引 言

隨著現代軍事裝備對遠端設備無人值守、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——配電控制系統的設計面臨著數字化、智能化、網絡化以及高可靠性等方面的新要求。基于Contrex-M3 ARM架構的新型嵌入式控制器LM3S9B96具備外圍接口豐富、內部集成以太網MAC和PHY控制接口、應用程序開發快速簡單等優點，使得基于LM3S9B96嵌入式控制器構建的通用配電控制器完全能夠滿足上述配電控制系統的新要求。本配電控制器在配電現場對配電系統進行實時監測和控制，同時通過以太網、RS232、RS422實現終端對配電系統的遠程實時監測，具有模塊化、通用化、性價比高等優點，同時能夠容易滿足軍事裝備在環境適應性、可靠性等方面的特殊要求。

1 系統組成及要求

1.1 系統功能

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

(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輸入模塊的信息，同時發送相應的控制信號到各個輸出模塊，此外還負責由本模塊上的DC/DC芯片提供DC 5V給其他模塊；

(3) 數字量輸入模塊主要用于采集各個開關、按鈕以及傳感器等開關量信號；

(4) 數字量輸出模塊主要用于輸出繼電器信號，用于控制接觸器、指示燈等；

(5) 顯示模塊主要是完成對通用配電控制器所監測到的信號進行顯示與控制；

(6) 接口模塊主要用于配電控制器通過特殊接口(如CAN-Bus等)與設備終端等系統進行通訊；

(7) 電壓測量模塊主要用于檢測2路三相交流電，1路單相交流電的電壓。

1.2 接口要求

(1) 以太網接口：與終端通過UDP協議進行通訊；

(2) RS232：具備Modbus-RTU協議，主要與專用顯示模塊進行通訊；

(3) RS422：與設備終端按照自定義通訊協議進行通訊；

(4) CAN-Bus：CPU模塊與其他模塊通過CAN-Bus進行通訊。

2 系統控制原理

配電控制系統采用本通用配電控制器加接觸器的模式向各路負載提供50Hz 380V和50Hz 220V的供電電源，并對相應負載的電源電壓及工作狀態等信息進行實時監測、顯示，具有實時報警、詳細記錄等功能。同時，本配電控制系統可以遙控相應負載的啟動和停止；可以在遠程終端上查詢各路負載的相關信息，盡早發現和消除隱患，實時發現故障；也可以在顯示模塊上給調試維修人員提供負載相關信息，方便測試，處理故障，進一步提高了系統的可靠性。

基于通用配電控制器的配電系統框圖如圖1所示。

3 硬件設計與選型

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架構的LM3S9B96控制器,帶RS232接口、RS422、以太網接口、SD卡、EEPROM、CAN-Bus接口等[1]。其硬件框圖如圖3所示。

(2) 數字量輸入模塊

該模塊基于AT89S52，通過74LS165結合光電隔離器擴展為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) 數字量輸出模塊

該模塊基于AT89S52 MCU，通過74LS164+光電隔離器+繼電器，擴展為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 數字量輸入模塊硬件框圖

圖5 數字量輸出模塊硬件框圖

(4) 顯示模塊

該模塊基于AT89S52，用LED數碼管顯示，有四個微動開關，用來調節和顯示。其硬件框圖如圖6所示。

圖6 顯示模塊硬件框圖

(5) 電壓測量模塊

該模塊用來測量三相/單相交流電壓。它是把配電系統各線路的輸入輸出電壓經相應的傳感器、AD采樣轉換后得到具體的電壓值，經電壓檢測模塊進行相關處理，發送給CPU模塊，使配電系統能監測負載電壓運行情況，及時發現過載、欠壓等異常情況，保護負載。因此，采樣的精度和線性度對配電系統的性能有著至關重要的影響。本系統所用的電壓傳感器采用的是24V雙電源供電，0～10V電壓型標準模擬量信號輸出。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,三防加固,集成防松接線端子。

圖7 電壓測量模塊硬件框圖

圖8 軟件設計框圖

4 軟件設計

針對本配電控制系統的控制原理及要求，設計了由不同功能的程序模塊組成的程序，如圖8所示。

(1) CPU模塊軟件設計 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) 顯示模塊軟件設計 包括主控制程序、按鍵檢測程序、顯示程序和RS232接口通訊程序。

(3) 數字量輸入模塊軟件設計 包括開關量輸入檢測程序、CAN接口通訊程序。

(4) 數字量輸出模塊軟件設計 包括開關量輸出控制程序、CAN接口通訊程序。

(5) 電壓測量模塊軟件設計 包括電壓測量程序、CAN接口通訊程序。

5 顯示界面設計

配電柜面板上設置了顯示模塊，完成整體配電系統的實時監測和控制，其大致外觀如圖9所示。

圖9 顯示界面

6 結束語

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計，使用按鈕開關操作，這樣減少了大量大功率機械開關的使用，操作方便，安全可靠；同時，通過專用顯示模塊監控配電控制系統的實時運行狀況，提高了系統的智能化、數字化以及網絡化，有利于整個系統的升級與維護。

[1] Stellaris? LM3S9B96微控制器中文數據手冊[M].北京銳鑫同創科技有限公司,2001.

[2] 張培仁.基于C語言編程的MCS-51單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社,2003.

[3] 沙占友，孟志永，王彥鵬.單片機外圍電路設計[M].北京：電子工業出版社，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(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向：伺服控制與嵌入式系統；吳婉蘭(1979-)，女，工程師，碩士，研究方向：伺服控制與嵌入式系統；施永柱(1987-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：嵌入式系統；劉麗(1988-)，女，助理工程師，碩士，研究方向：嵌入式系統。

TN820.3

A

1009-0401(2014)03-0048-04