基于M054芯片的船用数字调光器设计

蒋元星，邵忠辉

● （1. 浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2. 浙江欣亚磁电发展有限公司，浙江 舟山 316000）

基于M054芯片的船用数字调光器设计

蒋元星1，邵忠辉2

● （1. 浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2. 浙江欣亚磁电发展有限公司，浙江 舟山 316000）

介绍了一种船舶仪表背光照明数字调光器的设计，主要包括MCU 微处理器控制模块、控制输出模块、RS485通信模块、输入与显示模块、限流与保护模块等。采用M054微控制器输出脉宽调制(PWM)信号来控制背光照明灯的亮度，实现了PWM全数字调光。经过实船使用测试，该调光器性能优越、可靠性高。

数字调光器；M054微控制器；脉宽调制(PWM)；RS485通信

0 引言

为了保证安全航行，现代船舶驾驶台装有大量的自动化驾控设备与仪表。船舶夜间航行时为了不使众多设备背光照明干扰驾驶员的视线，船舶规范要求所有安装于驾控台的仪表、设备必须安装调光器。传统的船用设备背光照明调节都以大功率绕线式可调电阻为主，体积笨重，发热严重，效率低，且不具有远程控制接口。

本文介绍一种用于船舶仪表背光照明的数字调光器的设计，由具有ARM结构的M054微控制器产生的PWM（脉宽调制）信号来控制背光照明灯的亮度。从实际使用要求出发，增加了限流与短路保护、RS485通信模块，所设计的调光器性能优越、可靠性高，已经由浙江欣亚磁电发展有限公司生产并在船上应用。

1 数字调光器的设计原理

采用PWM可调占空比输出的方式来控制负载的平均有效电压。该方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比[1]。PWM信号占空比是信号高电平时间与周期之比，其调制频率是周期的倒数。

根据船舶驾驶仪表背光灯的实际要求，本调光器控制对象为30W以下的直流灯泡以及新型节能LED，直流24V、负载最大电流1.5A。用M054微控制器产生300Hz频率的占空比可调脉冲信号，控制功率输出管驱动负载，占空比0%～100%可调，将光源亮度分为10档(0级～9级)来精确地进行数字调节，并具有记忆功能。

调光器的电路结构主要组成为：LED数码管显示部分、按键输入部分、CPU控制与处理部分、开关控制输出部分、过流检测和信号调理部分、485通讯接口部分以及电源部分。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

系统在输电时CPU读取用户设定的亮度值，输出一定频率和相应占空比的脉冲给开关控制输出单元，驱动仪表背景灯。电流检测单元实时检测电流大小，并反馈给CPU的模数转换端口，根据电流的大小控制输出占空比的值来调节亮度，形成一个电流闭环系统，使亮度稳定。如果电流信号超出了短路设定值，立即停止输出，保护输出开关管的过流击穿，增加了系统的可靠性。LED数码管显示，指示用户设定的亮度值以及提示短路保护。

2 数字调光器硬件部分设计

2.1 控制器芯片选择

综合分析各种主流嵌入式微控制器性价比，结合本调光器控制需求，系统选用新唐 NuMicro M051™ 系列的M054 LBN为主控制器。该芯片为ARM® Cortex™-M0内核的32位微控制器，成本仅相当于传统的8位微控制器，主要性能[2]为：ARM® Cortex™-M0内核最高运行50MHz、24位系统定时器、单指令32位硬件乘法器，嵌套向量中断控制器NVIC可设置4个优先级；16kB Flash存储器用于用户代码的存储，4kB Flash数据存储器（Data Flash）用于保存用户的数据，4kB Flash ISP引导代码存储器（LDROM）用于保存用户ISP方式的程序代码，4kB字节内建SRAM；在LQFP-48管脚封装中最多支持40个通用I/O端口，并共享着特殊功能。40个引脚分配在P0、P1、P2、P3、P4五个口上，每个口最多8个引脚；4组32位的定时器, TIMER0～TIMER3；12位逐次逼近式模数转换器ADC，转换速率达760k SPS，最多8通道单端输入或4通道差分输入，支持单次转换模式、突发模式、单周期扫描模式、连续扫描模式；内建4个16位PWM产生器，可输出8路PWM或4对互补PWM。

2.2 PCB 板设计

2.2.1 原理图绘制

采用PROTEL软件设计绘制原理图，其主要组成部分为：1）CPU控制；2）按键处理；3）数码管显示；4）蜂鸣器控制；5）电源；6）主回路输出控制；7）RS485接口；8）过流保护。

CPU控制部分主要完成PWM波形的产生，电流信号处理并控制占空比，控制LED数码管的显示，同时监控键盘的输入以便完成系统功能设定等操作。CPU根据按键输入选择亮度调节的PWM值，根据AD(模拟数字)采样到的过流值与设定的值比较确定是否需要降低功率或者保护输出，同时实时接受上位机输出的远程控制命令。整个微控制系统中采用了无源晶振的形式产生MCU所需要的时钟信号。控制部分电路如图2所示。

图2 CPU控制部分电路

系统的复位采用了输电复位的形式，输电过程中微控制器复位引脚保证10ms以上的低电平就能可靠的将微控制器复位。系统设计了2个输入键以实现系统功能的设定，每个键占用一个端口分别接P1.5和P1.6口。显示单元主要完成用户输入设定的亮度档位值显示，范围为 0～9。在外部线路短路时，将以2Hz的频率闪烁，提示工作人员注意。LED指示的亮度跟着调节档位的增大而变亮。蜂鸣器主要用于按键按下时的提示音，以及过流保护动作时的报警提示。电源稳压采用美国国家半导体公司的开关稳压芯片LM2576-5.0，提供CPU稳定的工作电压及电流采样部分信号调理的工作电源。

输出控制部分主要控制灯的亮与灭。由于控制的频率远远大于人的视觉惰性的临界频率 20Hz，所以看不到背景灯的闪烁。驱动管TIP142是大功率的达林顿管，Ice电流为5A，可以有效的驱动负载1.5A的灯泡。D3是极性保护二极管，电阻R9是电流采样电阻，电路如图3所示。过流保护信号调理主要由LM358放大电路和电流采样电阻R9等组成，工作电流通过0.22欧姆电阻R9后产生0V～0.3V的微小的电压，通过LM358放大器放大10倍后输出0V～3V的电压送给AD采样端口。

图3 输出控制

RS232/422/485 都是串行数据接口的标准，RS232 是非平衡传输，RS422/485是平衡传输，RS485硬件设计简单、控制方便、成本低廉，支持远距离多机通信[3]。为了满足与其他设备通讯，实现远程控制调光需要，本调光器特别增加了 RS485通讯接口，电路图如 4所示。其中TVS1～TVS3是起保护作用，防止通讯线上的涌浪电压等。

图4 RS器485通讯接口

2.2.2 PCB绘制

印刷电路板PCB分成输出板和CPU板两个部分。电源、输出控制、电流信号调理以及485通讯组成一块输出板，如图5所示。CPU部分、按键、LED显示、复位、时钟等组成另一块CPU板，如图6所示。

图5 输出板PCB图

图6 CPU板PCB图

3 数字调光器软件部分设计

3.1 主程序流程图

整个程序分成按键输入、PWM产生、AD采样及过流处理、串口通讯处理4个独立的任务，程序主流程图与任务调度如图7所示。系统送电后完成初始化工作，由调度程序处理任务的调度运行，按照各任务的时间运行各任务处理函数。

图7 程序流程与任务调度流程图

3.2 主要源代码片段

本项目利用Keil的μVision开发工具实现工程管理、程序的编写、编译、调试以及下载。而调试或下载程序到目标板上则需要调试驱动程序的支持，Nuvoton为μVision提供了Nu-Link调试驱动程序，它主要用来辅助μVision调试Cortex-M0系列芯片，在μVision的工程配置选项里选择了Nu-Link调试驱动程序后，就可以进行程序的调试[4]。

(1) PWM脉冲函数

4 结语

本文设计的船用数字调光器通过由ARM结构M054微控制器产生的PWM信号来控制背光照明灯的亮度。调光器具有直观的LED数码管显示及短路提示，智能化的软启动和故障重复，限流保护以及输出短路保护功能，光强输出稳定，其亮度可数字化线性调节并具有记忆功能等特点，同时还可以通过 RS485通信扩展各种远程控制接口，实现远程自动调光。经过实船使用测试，该调光器具有功能强、可靠性高的特点。

[1] 魏雅. 基于PWM 的LED调光系统设计[J]. 无线互联科技, 2012(8): 113-115.

[2] 新唐科技(Nuvoton). NuMicro M051™ BN系列-M052/M054系列规格书V1.01[M]. 新竹:新唐科技(Nuvoton),2012.

[3] 蒋元星, 邵忠辉. 多冗余输出的数据采集处理单元设计与实现[J]. 现代电子技术, 2010(11): 97-99.

[4] 新唐科技(Nuvoton). NuMicro Cortex-M0 Keil μVision驱动之Nu-Link用户手册V1.03[M]. 新竹：新唐科技(Nuvoton),2010.

Design of Digital Dimmer for Ship Based on M054 Chips

JIANG Yuan-xing1, SHAO Zhong-hui2
(1. Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology , Hangzhou 311231, China; 2. Zhejiang Xinya Magnetic-electricity Development Co., Ltd., Zhoushan 316000, China)

The design of backlit digital dimmer for a ship instrument is introduced, mainly including the MCU microprocessor control module, control output module, RS485 communication module, input and display module, current limiting and protecting module, etc. M054 microcontroller outputs pulse width modulation (PWM) signal to control the brightness of backlight lamp. And the PWM full digital dimming is achieved. After the ship test, the performance of the dimmer is superior and the reliability is high.

digital dimmer; M054 microcontroller; pulse-width modulation( PWM); RS485 communication

U665.26

A

蒋元星（1970-），男，副教授，硕士，主要研究方向为计算机监控系统以及相关软件技术。