基于STM32F103的隧道回路調(diào)光控制器設(shè)計(jì)

任定芳

【摘 要】公路隧道在公路系統(tǒng)中一直占有不小的比例，而隧道照明是隧道工程不可分割的一部分。隧道由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，隧道照明與傳統(tǒng)的道路照明相比有其特殊的地方。隧道內(nèi)自然光照條件差，全天補(bǔ)光照明能耗高，隧道的入口段和出口段出現(xiàn)“黑洞”“白洞”現(xiàn)象，亮度需求不一致。為解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了隧道回路調(diào)光控制器，根據(jù)使用環(huán)境的變化實(shí)時(shí)調(diào)整隧道燈亮度，節(jié)省了能耗，達(dá)到了節(jié)能減排、減少隧道運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的目的。

【關(guān)鍵詞】回路調(diào)光控制器;隧道照明;嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U453.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）07-0053-03

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市政道路建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，隧道建設(shè)的規(guī)模也隨之越來(lái)越大，而隧道照明是隧道工程不可分割的一部分，其技術(shù)需求也越來(lái)越高。隧道照明可以改善隧道內(nèi)路面照明狀況，提高隧道內(nèi)視覺(jué)享受，減輕駕駛員疲勞，有利于提高隧道通行能力，對(duì)隧道的交通安全起著至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，如何提高照明效率、節(jié)約能源、降低成本、保障交通安全，一直是人們研究隧道照明的主要問(wèn)題，至今已取得了一定的成果。

1 隧道照明亮度要求

隧道由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，隧道照明與傳統(tǒng)的道路照明相比有其特殊的地方：①隧道內(nèi)由于其自然光照條件差，為了保證行車(chē)的安全，洞內(nèi)必須全天24 h都提供補(bǔ)光照明，因此隧道在運(yùn)營(yíng)時(shí)會(huì)有很高的電費(fèi)成本，需要有切實(shí)可行的降低能耗的方案。②隧道的入口段和出口段為避免出現(xiàn)“黑洞”“白洞”現(xiàn)象，亮度設(shè)置與洞內(nèi)的不一樣。

2 隧道回路調(diào)光控制器設(shè)計(jì)

為解決隧道照明存在的安全隱患、無(wú)效照明導(dǎo)致的能源浪費(fèi)，以及降低能耗減少運(yùn)營(yíng)成本，提供良好的、舒適的行車(chē)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一款可以根據(jù)使用環(huán)境的變化實(shí)時(shí)調(diào)整隧道燈亮度的基于STM32F103的隧道回路調(diào)光器。隧道照度分布如圖1所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

隧道回路調(diào)光控制器以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，結(jié)合AC-DC電源轉(zhuǎn)換電路，DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路、RS485通信電路、0～10 V連續(xù)可調(diào)輸出電路形成完整功能整體，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

（1）STM32F103C8T6是意法半導(dǎo)體推出的以cortex-M3為內(nèi)核的中性能單片機(jī)，主頻為72 MHz，擁有20 KB的片內(nèi)SRAM和64 KB的片內(nèi)flash，可以滿足如freeRTOS、ucOSII、RT-Thread等嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的資源需求。此外，STM32F103C8T6的外設(shè)也非常豐富，提供了3路通用異步串行接口，2路SPI接口及4個(gè)通用的定時(shí)器，可以完全滿足調(diào)光控制器所需的外設(shè)要求。

（2）AC-DC電路的作用是將220 V的交流市電轉(zhuǎn)換為控制器所需要的直流電源，AC-DC的轉(zhuǎn)換采用的是明緯電源的IRM-30-12型開(kāi)關(guān)電源，IRM-30-12是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的開(kāi)關(guān)型電源，具有體積小、能量密度高、寬幅電壓輸入、耐候性能好等特點(diǎn)，電源經(jīng)過(guò)灌膠處理后具有一定的防水能力，可以工作在-30～85 ℃的溫度范圍，同時(shí)滿足EN55022 classB的標(biāo)準(zhǔn)，非常適合于調(diào)光控制器這種在戶外使用的工作場(chǎng)景。

（3）RS485接口是隧道燈回路調(diào)光控制器的通信接口，控制器通過(guò)RS485接口與上層控制器通信。RS485是一種在工業(yè)領(lǐng)域常用的半雙工通信總線，采用差分方式傳輸信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，因此非常適合應(yīng)用于工作環(huán)境在戶外的回路調(diào)光控制器上。RS485接口電路使用的是致遠(yuǎn)電子的隔離RS485收發(fā)器，型號(hào)為RSM485PHT，具備以下特點(diǎn)：采用電源和信號(hào)線雙隔離的方式，隔離電壓高達(dá)2 500 V DC，帶載能力強(qiáng)，可以帶載128個(gè)節(jié)點(diǎn)，體積緊湊，有利于減少產(chǎn)品的尺寸，同時(shí)隔離器做了灌膠處理，因此具備一定的防水能力，工作環(huán)境溫度為-40～85 ℃，可靠性高。

（4）DC-DC電路的作用是將AC-DC電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為控制器其他工作電路所需的直流電壓。本設(shè)計(jì)中AC-DC電路的輸出是12 V DC，除0～10 V連續(xù)可調(diào)輸出電路外其他的電路均使用3.3 V直流電壓，因此需要一個(gè)能將12 V DC轉(zhuǎn)換為3.3 V DC的電路，DC-DC的轉(zhuǎn)換可以使用兩種不同原理的裝換電路：一種是線性穩(wěn)壓電路，這類(lèi)電路的輸出紋波好，常用于模擬電路的電源電路上，但是這類(lèi)電路的效率不高，在大功率的應(yīng)用場(chǎng)景下發(fā)熱明顯，同時(shí)電路的體積大。另一種是開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換電路，這類(lèi)電路的轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)90%以上的轉(zhuǎn)換效率，在大功率的應(yīng)用場(chǎng)景下發(fā)熱不明顯，同時(shí)小體積的電路就可以提供大功率的輸出。本設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓為12 V DC，輸出電壓是3.3 VDC，如果采用線性穩(wěn)壓電路進(jìn)行轉(zhuǎn)化，會(huì)有8.7 V DC的壓差落在穩(wěn)壓電路上，因此轉(zhuǎn)換效率低，功率大時(shí)發(fā)熱明顯，電路的穩(wěn)定性變差。所以轉(zhuǎn)換電路采用的是開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換芯片采用的是德州儀器的TPS54229，該芯片的輸入電壓范圍為4.5～18 V DC，輸出電壓范圍為0.76～7 V DC，涵蓋了輸入的12 V DC和輸出的3.3 V DC，滿足電路的電壓需求。同時(shí)，TPS54229還是同步降壓型芯片，工作效率高，可以節(jié)省掉非同步降壓型電路所需的續(xù)流二極管，在降低了硬件成本的同時(shí)減小了電路的體積。

（5）0～10 V連續(xù)可調(diào)輸出電路是調(diào)光控制器的核心電路之一，其功能是輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)能力為1A的模擬電壓，電壓的范圍為0～10 V，調(diào)光電路的輸出與隧道燈的開(kāi)關(guān)電源的0～10 V調(diào)光線連接在一起，開(kāi)關(guān)電源根據(jù)調(diào)光線上的電壓值調(diào)整電源的輸出功率，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整隧道燈的亮暗。調(diào)光電路接收STM32F103C8T6傳送的PWM信號(hào)，并根據(jù)PWM信號(hào)的占空比線性地調(diào)整模擬電壓的幅值，當(dāng)占空比為0時(shí)，輸出0 V，當(dāng)占空比為100%時(shí)，輸出10 V。PWM信號(hào)首先通過(guò)無(wú)源的低通濾波電路轉(zhuǎn)換為直流電壓，直流電壓再通過(guò)運(yùn)算放大器LM358經(jīng)過(guò)3倍線性放大輸出給驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)參考電壓進(jìn)行功率輸出，驅(qū)動(dòng)電路采用了以TL494芯片為核心的方案，TL494常應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中，是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，內(nèi)置了5 V參考基準(zhǔn)電壓源和線性鋸齒波振蕩器，外部只需要一個(gè)電容和一個(gè)電阻設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。TL494驅(qū)動(dòng)方案所需的外圍電路器件少，可靠性高。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

隧道回路調(diào)光控制器采用了基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的前后臺(tái)設(shè)計(jì)方式相比，有如下幾點(diǎn)好處：①嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大多采用搶占式內(nèi)核，因此可以保證系統(tǒng)最先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)線程，而傳統(tǒng)的前后臺(tái)設(shè)計(jì)方式，采用的是在中斷服務(wù)程序中設(shè)置標(biāo)志位，再在主程序中輪詢處理各個(gè)業(yè)務(wù)邏輯，無(wú)優(yōu)先級(jí)可言，不能保證緊急事務(wù)的優(yōu)先處理。②基于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以將整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯拆分多個(gè)線程，各個(gè)線程之間耦合度低，便于修改，也便于多人協(xié)同開(kāi)發(fā)，而傳統(tǒng)的前后臺(tái)設(shè)計(jì)模式各個(gè)業(yè)務(wù)邏輯之間耦合度較高。

2.2.2 RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)中采用的是RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，RT-Thread是一款優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，基于Apache許可證2.0版本授權(quán)，可以用于商業(yè)應(yīng)用。RT-Thread與freeRTOS、ucOSII等同類(lèi)型的操作系統(tǒng)相比有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①具有豐富的已移植的功能組件，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧lwip，文件系統(tǒng)littlefs、Fatfs、UFFS等，工業(yè)領(lǐng)域常用的通信協(xié)議Modbus-RTU等，開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)項(xiàng)目的需求進(jìn)行配置，大大縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間。②RT-Thread采用類(lèi)似于Linux的menuconfig的圖形界面進(jìn)行系統(tǒng)配置，并可以跟意法半導(dǎo)體官方的底層配置工具STM32CubeMX相結(jié)合，易用程度高。③系統(tǒng)符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，便于移植一些Linux系統(tǒng)上的軟件。④RT-Thread提供一個(gè)shell交互界面，便于開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行調(diào)試。

2.2.3 調(diào)光控制器的軟件工作原理

調(diào)光控制器的軟件工作流程如圖3所示。

（1）調(diào)光控制器上電后首先進(jìn)行硬件的初始化，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘，初始化通用異步串行控制器、SPI接口、定時(shí)器、PWM。

（2）初始化文件系統(tǒng)littlefs，從配置文件中讀取出系統(tǒng)的配置信息，根據(jù)地址信息及通用異步串行控制器的波特率、數(shù)據(jù)位寬、結(jié)束位寬、奇偶校驗(yàn)方式配置RS485接口電路及Modbus-RTU協(xié)議。

（3）根據(jù)配置信息設(shè)置0～10 V調(diào)光電路的輸出電壓，將與調(diào)光控制器相連接的隧道燈調(diào)整到指定的亮度。

（4）偵聽(tīng)RS485接口上上層控制器發(fā)出的Modbus-RTU指令，根據(jù)收到的指令類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)操作，收到調(diào)光指令則首先將指令中包含的目標(biāo)亮度值保存至配置文件中，然后再將0～10 V調(diào)光電路的輸出調(diào)整至指定的幅值，收到查詢指令則將當(dāng)前調(diào)光控制器的輸出亮度值返回給上層控制器，收到配置指令則將相應(yīng)的配置參數(shù)保存到配置文件中，并根據(jù)配置參數(shù)設(shè)置調(diào)光控制器的相應(yīng)操作。

（5）中斷服務(wù)程序用于處理地感線圈的觸發(fā)信號(hào)，如果接收到中斷信號(hào)，則在中斷服務(wù)程序中發(fā)出消息，調(diào)光服務(wù)程序接收到信息后將0～10 V調(diào)光電路的輸出調(diào)整到配置參數(shù)指定的幅值，經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)的觸發(fā)延遲時(shí)間后，調(diào)光服務(wù)程序再將0～10 V調(diào)光電路的輸出恢復(fù)到觸發(fā)前的幅值。

3 結(jié)語(yǔ)

本隧道調(diào)光控制器采用了32bit的精簡(jiǎn)指令集MCU作為系統(tǒng)的控制單元，基于RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，結(jié)合Modbus-RTU通信協(xié)議、Littlefs文件系統(tǒng)完整地實(shí)現(xiàn)了與上層控制器的數(shù)據(jù)收發(fā)與指令控制，配置參數(shù)的存儲(chǔ)與讀取，以及用于隧道燈調(diào)光的0～10 V電壓輸出，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)使用環(huán)境的變化實(shí)時(shí)調(diào)整隧道燈亮度，提高了照明效率，節(jié)省了能耗，達(dá)到了節(jié)能減排和減少隧道運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

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