基于ARM单片机载波照明控制器的设计

李士杨

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

近年来，随着载波通信技术的发展和成熟，低压载波通信[1-3]在自动抄表、照明控制以及电力系统遥控监测等方面得到了广泛应用。但是，由于井下环境的特殊性，载波通信在井下难以实现。针对这一问题，文中设计了一种基于ARM单片机载波照明控制器。

1 控制器的硬件设计

随着单片机技术的发展，STM32F103RBT6增强型LQFP64单片机[4-5]内核是ARM32位的 Cortex-M3的CPU，此内核是最新一代的ARM处理器，其提供了低成本平台、低系统功耗、多输入输出口及A/D口，同时提高了数据的处理能力和缩短了中断系统的响应时间。SC1128[6]是一款适合中国低压电网特性的专用载波通信芯片，价位较低，并且其内部集成了多功能的电路，提高了电力线通信的抗干扰及抗衰减能力。基于以上优点，文中设计了一种基于ARM单片机的载波照明控制器，该控制器与以往的电缆照明控制器相比，具有很好的优越性。

1.1 结构及其原理

载波照明控制器结构如图 1所示，它以STM32F103RBT6增强型LQFP64单片机为控制核心，以电力线载波通信芯片SC1128为基础，辅以外围接口电路设计，实现实时监控多盏灯中任一盏灯的亮灭及实时保护整个照明系统。该系统硬件电路结构包括电力线接口部分、载波信号的发射和接收部分、信号的调制解调部分、单片机控制部分、LCD显示部分、漏电保护部分和负载部分。

漏电原理：隔离开关HK闭合，三相四线电与电抗器HL耦合产生耦合电流I，I经过电流/电压转换为电压信号U，U再送给单片机的ADC_IN口，经单片机分析和判断，能及时控制接触器KM1-1-3的开与闭，从而保护整个照明系统。

工作原理：电力线载波信号经耦合电路、接收电路，进入SCll28模块，经过处理后，送入单片机ADC_IN口，由单片机程序将灯亮或灭的命令信号送给SC1128模块，SC1128发出调相信号通过发射电路发送至电力线上，实时控制灯的亮与灭，与此同时单片机将灯亮与灭的信号送入液晶模块显示出相应数据。

1.2 外围电路的设计

载波照明控制器外围电路图如图2所示，它主要有隔离开关 HK、三相高/低压隔爆型变压器 660（1140）/127 V、漏电保护装置、开关电源电路、载波照明控制器的保护插件和负载电路等组成。其主要实现外围电路和内围电路的接口连接，进一步完善电路设计。

1.3 内部电路的设计

STM32F 103RBT6单片机与SC1128的引脚接口如图3所示。

1.3.1 主芯片选型

图1 载波照明控制器结构示意图Fig.1 Carrier lighting controller structure schematic diagram

图2 外围电路图Fig.2 Peripheral circuit diagram

根据设计要求，文中选用STM32F103RBT6增强型LQFP64单片机、STC12C5620AD单片机、SC1128的电力线载波通信芯片和OCMJ4X8C型液晶显示模块。

1.3.2 SCll28与单片机接口

在载波发射模块中，STM32F103RBT6单片机与SCll28芯片的接口连接关系如图3所示。图中，STM32F103RBT6增强型LQFP64单片机通过14脚PA0、15脚 PA1和16脚 PA2引脚对SCll28的41脚 CS、40脚 SETCLK、39脚LINE进行设置，以实现数据同步输入或输出。

在载波接收模块中，STC12C5620AD单片机与SCll28芯片的接口连接关系如图4所示。

1.3.3 电力线接口电路

电力线接口电路的功能是SC1128芯片与电力线相耦合，主要包括耦合电路、接收电路（带通滤波器和前级放大器）和发送电路（功率放大电路），其中耦合电路是电力线接口电路设计的核心部分。

电力线载波通信过程为：电力线载波信号经过经耦合电路、带通滤波器和前级放大器进入SCll28的一级运算放大器（13脚），经过处理后供单片机处理，数据由单片机送至SC1128芯片，经其处理后由24脚发出调相信号通过功率放大器耦合电路发送至电力线上，再由单片机将电力载波芯片切换到接收状态，完成信号在电力线上的发送接收过程。

耦合电路设计如图5所示。本文通过单片机控制继电器可选择任意两相低压电力线与耦合电路连接，以减小载波信号传输中的各种干扰。该电路在设计时取电力线的阻抗为3～30 Ω，127 V电力线路侧为T2的副边，阻抗比为11/18。

1.3.4 漏电保护原理

图3 STM32F103RBT6单片机与SCll28的引脚接口Fig.3 Pins interface of STM32F103RBT6 microcontroller and SCll28

图4 STC12C5620AD单片机与SCll28的引脚接口Fig.4 Pins interface of STC12C5620AD microcontroller and SCll28

图5 耦合电路Fig.5 Coupled circuit

煤矿井下环境特殊，供电电缆容易受到潮湿环境的影响以及外部损坏，其中大部分为对地绝缘损坏，所以文中采用附加直流电源型漏电保护装置，即当电网的某一支路发生漏电时，漏电保护系统仅使开关切断漏电故障所在支路，并保证非漏电故障支路正常供电。这样就需要及时监测电力线中的电阻值、电压值及电流值。设计的采样保护电路如图6、7所示。

图6 漏电保护电阻、电压、电流信号采集图Fig.6 Signal acquisition figure of leakage protection resistance，voltage and current

1.3.5 电源模块

本系统需要+12 V、+5 V、+3.3 V电压，则设计电源模块如图8所示。

图7 漏电保护接口控制电路图Fig.7 Interface control circuit of leakage protection

图8 电源模块Fig.8 Power supply module

2 控制器的软件设计

文中根据STM32系列的单片机特点，采用稳定性较好的RVMDK3.80A版本的开发软件，通过C语言编程，有ULINK2仿真器通过JTAG接口将程序下载到载波照明开发板上，可进行在线仿真。文中软件程序设计主要是单片机检漏保护模块程序、电力线接口模块程序、单片机控制负载程序和LCD显示模块程序的设计。单片机检漏保护模块程序主要完成电压信号的采集、数据的发送/接收中断；电力线接口模块程序主要完成SCll28初始化化、数据发送／接收中断和看门狗复位；单片机控制负载程序主要完成数据发送/接收中断；LCD显示模块程序主要完成数据的接收及显示。主控部分主程序除了要完成电力线接口模块程序的任务外，还要转入相应的子程序，进行端口的设置，对接收的数据或命令进行设定值比较，转入相应的处理子程序，显示致据。程序流程图如图9所示。

图9 程序流程图Fig.9 Program flow chart

3 结 论

文中针对井下用电的特殊性，利用ARM单片机和载波通信芯片SC1128，设计了一种基于ARM单片机载波照明控制器。该控制器利用低压电力线作为通信媒介，保障了电力线通信的可靠性，利用现有的电网资源，节约了成本，实现了通信网络化，同时通过电力线载波传送数据，实现了井下载波照明的智能控制，同时也证明了电力线载波通信技术具有更好的适应性和先进性，进一步展示了低压电力线载波通信的美好发展前景。

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