路燈照明系統(tǒng)中的組群控制器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

    摘要：論述數(shù)字路燈照明系統(tǒng)中組群控制器的功能，給出基于雙微處理器的組群控制器核心電路設(shè)計方案與實(shí)現(xiàn)方法，并介紹系統(tǒng)主要軟件結(jié)構(gòu)框圖。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字路燈照明雙微處理器 PIC16F877 PIC16F873

前言

公共照明系統(tǒng)廣泛采用高壓鈉燈（high pressure sodium lamp）或金屬鹵化物燈（metallic halide lamp），傳統(tǒng)照明系統(tǒng)經(jīng)常采用電感鎮(zhèn)流器，照明燈具采用統(tǒng)一開關(guān)控制方案。

隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，公共照明數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為一種必然趨勢。節(jié)約能源、保證燈具壽命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保證城市夜間出行安全等，已經(jīng)成為對公共照明系統(tǒng)的一項(xiàng)基本要求。本文將介紹基于鎮(zhèn)流器的全數(shù)字公共照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程單個路燈節(jié)點(diǎn)的任意監(jiān)控，并重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的核心設(shè)備——組群控制器的作用、組成、工作原理是以及主要軟件結(jié)構(gòu)框圖。

1 數(shù)字路燈照明系統(tǒng)

圖1給出了數(shù)字路燈系統(tǒng)的系統(tǒng)組成原理圖。在該系統(tǒng)中，每個路燈節(jié)點(diǎn)采用全數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器，可以實(shí)現(xiàn)0%、50%、80%、100%功率輸出，可以隨時發(fā)送路燈的電流、電壓信息，并具有開路、斷路和路燈老化報警功能。每一個路燈節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含一個電力載波通信（PLC）模塊，利用電力載波模塊實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)點(diǎn)之間以及路燈節(jié)點(diǎn)與組群控制器之間信息通信。組群控制器采用雙CPU結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)日常系統(tǒng)的正常運(yùn)行控制，并可以隨時響應(yīng)上位管理計算機(jī)發(fā)出的指令。組群控制器與照明管理計算機(jī)通過GSM/GPRS短信方式實(shí)現(xiàn)正常情況下的通信。在組群控制器發(fā)生故障的情況下，照明管理計算機(jī)可以通過GSM/GPRS直接實(shí)現(xiàn)路燈線路的開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全雙保險。照明管理計算機(jī)采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖形化動態(tài)實(shí)時監(jiān)控管理。

圖2

2 組群控制器工作原是與系統(tǒng)組成

2．2 組群控制器系統(tǒng)組成

圖2給出了一種組群控制器設(shè)計方案。它包括CPU模塊、線路狀態(tài)檢測模塊、交流接觸器驅(qū)動模塊、后備電源模塊、時鐘模塊、控制策略模塊、電能計量模塊、溫濕度檢測模塊、GSM通信模塊和電力載波通信模塊。CPU模塊采用CPU結(jié)構(gòu)。主微控制器采用高性能、8位、40引腳、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC單片機(jī)PIC16F877，負(fù)責(zé)與GSM通信模塊和電力載波模塊通信，與交流接觸器驅(qū)動控制，與實(shí)時時鐘的讀取和校準(zhǔn)以及根據(jù)照明控制策略發(fā)送控制指令等功能。從微控制器采用與主微控制器同一系列的高性能8位、28引腳、多路8位A/D、具有4KB Flash的RISC單片機(jī)PIC16F873。該控制器負(fù)責(zé)管理電能計量模塊、后備電源及監(jiān)控模塊、溫濕度監(jiān)控模塊和線路狀態(tài)檢測模塊等。

圖3

    2.3 雙CPU通信方法與RS-485通信

雖然PIC16F87x系列單片機(jī)外圍通信接口豐富，但是，整個系統(tǒng)通信復(fù)雜，接口資源仍然很緊張。主從CPU的可靠通信，是組群控制器可靠工作的關(guān)鍵之一。

根據(jù)資源分配，主微控制器PIC16F877與從微控制器PIC16F873采用SPI接口，并以主從方式通信。根據(jù)系統(tǒng)端口配置需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3來模擬硬件SPI口，即軟件SPI接口。PIC16F877的SPI硬件資源分配給E2PROM 24C64使用。PIC16F873的SPI接口工作在從模式下，PIC16F877需要選用一個普通I/O口（這里是RB4）與PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相連，控制SI通信的發(fā)起與結(jié)束，如圖3所示。每次通信都是由PIC16F877發(fā)起，PIC16F873響應(yīng)。

圖4

    電能計量模塊為單獨(dú)模塊，能夠測量供電線路的電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，并具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口。為此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通過RS485接口變換，與電能計量模塊JP1相連。這里MAX485芯片作為485總線接口轉(zhuǎn)換芯片，用RC2作為RS-485總線通信輸入/輸出使能控制端，控制信號的讀入和送出。

2．4 交流接觸器控制與狀態(tài)保持

組群控制器的一項(xiàng)重要任務(wù)是通過固體繼電器SSR和交流接觸器實(shí)現(xiàn)照明線路供電控制。固體繼電器為DC3～24V輸入，AC220V輸出，其輸入由NPN型三極管9013驅(qū)動。由于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中存在各種干擾，若則相關(guān)引腳很可能會出現(xiàn)跳變信號或三態(tài)，造成交流接觸器誤動作。因此“鎖定”復(fù)位前狀態(tài)，對保證系統(tǒng)可靠性非常重要。這里采用了由1個D觸發(fā)器、1個光耦、3個電阻和3個I/O引腳組成的采樣/保持電路，如圖4所示。D觸發(fā)器復(fù)位端R和置位端S分別接地，數(shù)據(jù)端D接CPU的數(shù)據(jù)控制端RE0，時鐘端CLK通過光耦TIP521接CPU的時鐘產(chǎn)生控制端RE1和RE2。保持電路的關(guān)鍵在于RE0、RE1、RE2單個引腳誤動作無法產(chǎn)生有效時鐘和控制指令。即使CPU發(fā)生復(fù)位，由RC0腳讀回固態(tài)繼電器當(dāng)前工作狀態(tài)，并將RE0輸出（D觸發(fā)器輸入）置成該狀態(tài)，進(jìn)而保證SSR不產(chǎn)生誤動作。電阻R32為上拉電阻，保證RE2出現(xiàn)三態(tài)時光耦不產(chǎn)生誤導(dǎo)通。電阻R33起限流作用。實(shí)際證明該電路是有效的。

圖5

    2．5 時鐘與控制策略

要實(shí)現(xiàn)自動定時控制，系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)預(yù)存控制策略是關(guān)鍵。組群控制器采用DS1302時鐘芯片，為系統(tǒng)提供實(shí)時時鐘。DS1302是一種帶備份電源的、8腳、具有I2C串行通信功能的高性能、低功耗時鐘芯片，提供秒、分、時、日、周、月、年日歷功能。I2C串行總線SCL和SDA分別需要一個上拉電阻。主微控制器PIC16F877采用硬件I2C接口（RC3/SCL和RC4/SDA）與DS1302通信，如圖5所示。組群控制器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時鐘校準(zhǔn)。

圖6

    組群控制器將每日控制策略時間表Table1、季節(jié)劃分時間表Table2、季節(jié)控制策略時間表Table3和節(jié)假日控制時間表Table4存儲在E2PROM 24C64中。24C64是容量為8KB、支持兩線的I2C串行通信、1000000次擦寫的E2PROM。主微控制器PIC16F877采用2個普通I/O口（RD1和RD2）模擬I2C串行總線，即實(shí)現(xiàn)軟件I2C總線接口。組群控制器根據(jù)讀得的日歷信息和時間信息，對照各種控制策略時間表，發(fā)布開關(guān)燈及調(diào)光控制指令。

2．6 軟件實(shí)現(xiàn)

組群控制器軟件分為主微處理器軟件和從微處理器軟件。主微控制器一方面負(fù)責(zé)通過GSM與照明管理計算機(jī)（簡稱上位機(jī)）通信，接收、解析和執(zhí)行上位機(jī)發(fā)來的各種命令，并將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)；另一方面，主控制器在沒有GSM信息的情況下，完成其它一些任務(wù)，軟件流程圖如圖6所示。圖7給出了從微控制器軟件的簡要流程圖。

結(jié)語

城市路燈照明系統(tǒng)是城市街道、高速公路、機(jī)場、火車站、標(biāo)志性建筑、景觀性建筑等處的重要系統(tǒng)。建立一個實(shí)用的、可靠的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化和路燈照明系統(tǒng)是非常不易的。由于篇幅所限，本文僅給出了組群控制器的關(guān)鍵硬件設(shè)計電路和核心軟件框圖，還有許多具體細(xì)節(jié)沒有闡述。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)設(shè)計是合理和可靠的。