基于ARM微處理器的隧道照明智能控制器

摘要： 采用ARM7TDMI-S 內(nèi)核 的微處理器LPC2119設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能照明控制器，應(yīng)用在高速公路隧道照明CAN網(wǎng)絡(luò)中。
關(guān)鍵詞： 高速公路隧道照明；智能照明控制器；CAN網(wǎng)絡(luò)； ARM微處理器；LPC2119

引 言

    隧道是高速公路的重要組成部分，隧道照明系統(tǒng)是車輛能夠安全地進(jìn)入、通過和離開隧道區(qū)域必不可少的基本保證。目前長隧道的照明分為入口段、過渡段、基本段、出口段，每段的燈具按功能又分為應(yīng)急燈、全日燈和加強(qiáng)燈三種。應(yīng)急燈除在停電時(shí)用作應(yīng)急照明外還兼作全日照明，全日燈24小時(shí)不間斷工作，加強(qiáng)燈根據(jù)洞口不同的亮度來開啟。隧道內(nèi)不同區(qū)域的亮度要求各不相同，它們和洞外亮度、交通流量、洞內(nèi)廢氣的多少、行車速度、燈具的養(yǎng)護(hù)周期等諸多因素有關(guān)，甚至與路面的材料和洞壁的裝修材料有關(guān)。這些燈的控制目前基本上是靠開關(guān)照明回路來進(jìn)行控制的。一般隧道都有七八個(gè)照明控制回路，建設(shè)投資大，施工難度高，隧道開通后管理者僅能在有限的回路里進(jìn)行控制，很難兼顧到運(yùn)營成本和隧道安全。 我們采用Philips公司(編者注：現(xiàn)更名為NXP公司)的基于ARM7 TDMI-S 內(nèi)核的微控制器LPC2119設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能照明控制器，應(yīng)用在高速公路隧道照明CAN網(wǎng)絡(luò)中，較好地解決了隧道照明初期投資、運(yùn)營成本和隧道安全之間的矛盾，收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

隧道照明系統(tǒng)CAN 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

    CAN(控制器局域網(wǎng))是當(dāng)今國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線最初是由德國Bosch公司為汽車的檢測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于CAN總線具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想、良好的功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)，已由國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO制訂了CAN總線的國際標(biāo)準(zhǔn)。

    CAN協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO的開放系統(tǒng)互連參考模型OSI基礎(chǔ)上，主要工作在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。用戶可在其基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際需要開發(fā)自己的應(yīng)用層通信協(xié)議。CAN總線信號(hào)的傳輸可采用雙絞線、同軸電纜或光纖，最高通信速率可達(dá)1Mbps,數(shù)據(jù)傳輸在5Kbps 時(shí)，傳輸距離可達(dá)到10Km。一個(gè)CAN網(wǎng)段上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可達(dá)110個(gè)，還可通過CAN網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋延伸網(wǎng)段或和其他各種網(wǎng)絡(luò)互連互通。

    CAN總線的這些特點(diǎn)使得其很適宜應(yīng)用在條件苛刻的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)或照明控制系統(tǒng)中。高速公路隧道照明控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)主要由上位機(jī)、智能照明控制器、CAN網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋等構(gòu)成(圖1)。

圖1  隧道照明控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

    上位機(jī)為PC機(jī)，內(nèi)插PC-CAN 接口卡，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€結(jié)構(gòu)，傳輸介質(zhì)采用雙絞線，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在傳輸介質(zhì)和智能控制器之間采取了光電隔離。上位機(jī)并與隧道車輛檢測(cè)器群和光強(qiáng)檢測(cè)儀相連，配以我們開發(fā)的相應(yīng)軟件，對(duì)整個(gè)隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。

    軟件的控制策略如下：在沒有車輛進(jìn)入隧道時(shí)，根據(jù)光強(qiáng)檢測(cè)儀所檢測(cè)到的洞內(nèi)外光強(qiáng)差值，在隧道內(nèi)只開啟相應(yīng)的基本照明，當(dāng)車輛檢測(cè)器檢測(cè)到車輛將進(jìn)入隧道時(shí)，開啟隧道洞口的加強(qiáng)照明，當(dāng)車輛進(jìn)入隧道后，則將車輛前面一段相應(yīng)距離的加強(qiáng)照明開啟，一旦后面無車輛跟進(jìn)，則將汽車身后的加強(qiáng)照明關(guān)閉。同時(shí)利用光強(qiáng)儀還可判斷晴天、陰天、白天、晚上而開啟或關(guān)閉相應(yīng)的照明。可對(duì)單個(gè)的照明進(jìn)行單控也可對(duì)區(qū)域照明進(jìn)行群控。控制策略隨時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。這樣節(jié)約了大量的電能，有效的降低了運(yùn)營成本。

智能照明控制器硬件設(shè)計(jì)

    圖1是本智能控制器的總體設(shè)計(jì)框圖，主要由CPU模塊、電源模塊、通信模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、開關(guān)控制模塊等組成。通信模塊將所有的控制器連接成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)，便于值班員在監(jiān)控室對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，光強(qiáng)、溫度、電流檢測(cè)則是通過對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的檢測(cè)來判斷設(shè)備的工作情況，開關(guān)控制模塊則是通過光電耦合、大功率可控硅開關(guān)進(jìn)行控制的。

CPU 模塊

    本智能控制器的核心采用了Philips公司的LPC2119微處理器，其采用ARM公司  ARM7TDMI-S 內(nèi)核，基于RISC精簡(jiǎn)指令集的微處理器，具有32位總線寬度，內(nèi)置16KB的SRAM，128 KB Flash 存儲(chǔ)器。通過片內(nèi)PLL對(duì)片外晶振的倍頻，可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz 的 CPU 操作頻率。同時(shí)通過片內(nèi)Boot裝載程序可實(shí)現(xiàn)ISP在系統(tǒng)編程和IAP在應(yīng)用編程功能。由于LPC2119 較小的64引腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、4 路10位ADC、2路CAN、8路10位ADC、以及多達(dá)9 個(gè)外部中斷使它們能很好的滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2  智能照明控制器框圖

電源模塊

    LPC2119 為雙電源，CPU 操作電壓范圍：1.65~1.95 V(1.8 V± 0.15 V)，I/O 操作電壓范圍：3.0~3.6 V(3.3 V± 10%)，可承受5V 電壓，而溫度傳感器和光電傳感器及光耦隔離器均需5V直流電源驅(qū)動(dòng)，故在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)必須提供5V、3.3V和1.8V的直流電源。在電源電路里加入了整流橋和穩(wěn)壓模塊，并采用電源隔離器B0505S將輸入和輸出電源相隔離，以屏蔽電源噪聲的影響。

通信模塊

    高速公路中長隧道一般都在1至2公里左右，特長隧道甚至達(dá)到十幾公里。隧道燈的數(shù)量也從數(shù)百盞至數(shù)千盞不等。加上隧道內(nèi)環(huán)境條件惡劣，而RS-485通信存在抗干擾能力差，誤碼率高，無糾錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，通信距離短，不方便擴(kuò)展等缺點(diǎn)，因此這里采用RS485通信網(wǎng)絡(luò)并不合適。LPC2119內(nèi)部集成了2個(gè)CAN控制器，這給我們采用CAN網(wǎng)絡(luò)提供了便利。CAN通信速率高、開放性好、通信距離長，且具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)，與其它通信總線相比，CAN總線數(shù)據(jù)通信具有突出的高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。我們通過CAN總線還可以把通風(fēng)機(jī)、車行橫洞卷簾門等相關(guān)設(shè)備的控制集成在一起。

光強(qiáng)、溫度、電流檢測(cè)模塊

    LPC2119 內(nèi)部集成了四路10位A/D轉(zhuǎn)換器，這就給光強(qiáng)、溫度、電流檢測(cè)提供了極大的便利。光強(qiáng)檢測(cè)是通過光敏三極管來檢測(cè)環(huán)境亮度參數(shù)提供給主程序進(jìn)行自動(dòng)控制，也可通過此參數(shù)判斷光源的好壞。溫度參數(shù)提供設(shè)備本身和周邊環(huán)境溫度，以求設(shè)備安全可靠的工作。電流參數(shù)則是對(duì)光源的工作狀態(tài)進(jìn)行不斷的監(jiān)測(cè)，交流信號(hào)經(jīng)過互感器、信號(hào)調(diào)理后直接送入LPC2119內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電流參數(shù)的采集和變換。

開關(guān)控制模塊

    LPC2119提供了多達(dá)46個(gè)通用的I/O 口，因此對(duì)照明燈進(jìn)行控制是非常方便的。一個(gè)照明控制器可以根據(jù)實(shí)際情況分別或同時(shí)控制4盞、8盞、16盞照明燈。LPC2119是通過固態(tài)繼電器來對(duì)照明燈進(jìn)行控制的。

    為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，本照明控制器采用了光電隔離技術(shù)，所有的輸出均采用了光電耦合器將干擾信號(hào)隔離，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)由于CPU 的I／O驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些電磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)接口電路，為避免系統(tǒng)受到干擾，須采取隔離措施。如本例晶閘管所在的主電路是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與CPU 直接相連，可應(yīng)用光耦合器將CPU的控制信號(hào)與晶閘管觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3  雙向可控硅隔離驅(qū)動(dòng)

結(jié)語

    本文介紹的智能照明控制器性能穩(wěn)定，工作可靠。同時(shí)可通過CAN網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)結(jié)合光強(qiáng)儀、車輛檢測(cè)器等進(jìn)行智能控制，在隧道的建設(shè)或改造中，都可以使隧道照明的回路減到最少，不僅節(jié)約了初期投資，而且在運(yùn)行期間可以大大的節(jié)約電能消耗。本智能照明控制器已開發(fā)出單回路、雙回路、四回路、八回路等系列產(chǎn)品，并已搭建成模擬網(wǎng)絡(luò)通過了測(cè)試，目前正在與某高速公路隧道業(yè)主商談實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
1. LPC2119 User Manual . http://www.semiconductors.philips.com/
2. 周立功，ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐，北京航空航天大學(xué)出版社，2003
3. 鄔寬明，CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)出版社，1997