基于STM32的交通电源管理模块设计

文/张中旭

交通设备的日益增多使我国交通网络及其管理问题越来越突出，智能化以及自动化成为解决现阶段交通问题的一个重要技术手段。我国明确提出公共交通优先发展战略 ，实现交通设备的高效管理和监控，对提高城市公共交通系统效率有重要意义。目前交通电源设备管控系统可靠性低，管理性差，且布置分散化，运维不便。因此，发展智能化的交通电源管控系统，实现交通设备故障的及时、准确预报预警，是十分必要的。

美国霍尼威尔公司的霍尼韦尔数字安防集成平台HUS是该领域的经典产品，是多级分布式综合监控管理系统。目前，单片机、ARM、嵌入式、可编程逻辑控制器、工业总线技术、DSP等被应用其中以提高系统实时性和集成度。

本文从提高城市公共交通控制系统的运维效率出发，以STM32微控制器为核心，设计了一款用于室外交通电源机柜的电源管理模块，具有断电报警、断网报警、以太网通信、GPRS通信、GPS定位、输入信号量检测、继电器输出等功能，对整个交通系统的设备正常工作起到预警和保护作用。通过实验结果可知，该系统运行稳定可靠，可以显著提高城市交通设备的运维效率。

1 电源管理模块总体设计

交通设备电源管控网的组成如图1所示，主要由运维管控平台、网络通信设备、交通设备电源管控机柜、外围设备等组成。当设备的某些环境参量超出了正常范围值，监控系统发出声光警报，提醒操作人员处理，并对电源机柜进行断电保护。当发生故障时，故障数据将通过基站和核心交换机传输到云管控平台，平台会分析统计数据进而得出故障发生的原因、位置和频率等，并在用户PC终端以EXCEL表格形式导出。

图1：交通设备电源管控网的组成

图2：电源管理模块总体设计

图3：基于W5500的以太网网通信原理图

电源管理模块总体设计如图2所示，本文设计的电源管理模块在交通设备电源管控机柜内，负责采集机柜的电源和环境温湿度、水浸、电源、网络等参量和状态，并通过有线网络或无线网络传输到设备运维管控平台，实现交通设备的远程无人值守。电源管理模块的主控制芯片为STM32F407ZET6，具有掉电检测、存储、LED指示、按键以及网络、GPRS通信、GPS定位等电路，能应用于智能交通、城市治安、通信基站、户外机柜等，可以实现对现场设备远程数据监测、电气控制及异常报警处理等功能。

2 系统软硬件设计

图4：GPRS和GPS电路原理图

图5：信号量输入捕获电路原理图

图6：信号量输出电路原理图

硬件电路是以STM32F407VET6为核心设计，包括主控器电路、温湿度测量模块电路、以太网通信电路、RS485通信接口电路、信号量输出电路、信号量输入捕获电路、GPRS无线网络通信和GPS定位电路、程序下载电路、实时时钟电路、存储电路、电源电路、超级电容充放电电路等。下面主要对以太网通信电路、GPRS无线网络通信和GPS定位电路、信号量输出电路、信号量输入捕获电路等进行说明。

2.1 以太网通信电路设计

以太网通信电路如图3所示。其中W5500是一款嵌入式网络控制器，集成了硬件TCP/IP通信协议栈，支持TCP、UDP、UPV4、ICMP、ARP、IGMP以及PPPoE协议。该芯片3.3V供电，IO口可耐受5V电压，具有网络唤醒和掉电两种低功耗模式。电路在网口设计中添加了网络变压器HX1188NL，起到增强网络信号、隔离、耦合等作用，提高网络通信电路的可靠性。

2.2 GPRS无线网络通信和GPS定位电路设计

GPRS通信和GPS定位采用A7模块，电路原理如图4所示。A7模块特点是覆盖范围广、永久在线、按量计费、传输稳定支持透明传输。A7主控芯片集成度高，使用方便，只需一些简单的阻容器件，就能完成GPRS与GPS功能。电路由供电电路、主控芯片电路、复位电路、指示灯电路、SIM卡电路、以及双排接线端子组成。

2.3 信号量输入捕获电路设计

信号量输入捕获电路用于检测柜门是否开启、设备是否浸水、外围设备的输出状态等，输出控制电路可用于配合温湿度检测结果，控制风扇、加热棒等设备的电源开关。电路原理如图5所示，它采用了有源输入与无源输入共用隔离芯片的方式，通过焊接不同阻容器调整有源输入和无源输入两种输入方式，节省了空间和成本，并提高了电路的兼容性。

2.4 信号量输出电路设计

信号量输出电路中采用3A、额定电压为12V的继电器HK4100F，其动作时间快，温度范围较广，电路如图6所示。限流电阻和高速开关二极管1N4148用于保护光耦电路，起到断电续流，以泄放继电器断电时电感的储能。

2.5 系统软件设计

系统软件采用MDK-ARM平台开发，能够支持ARM7、ARM9以及最新的Cortex-M3、Cortex-M4内核处理器。软件流程如图7所示，微控制器上电后，首先对微控制器、外围设备及系统参数进行初始化，然后创建任务及任务通信机制，启动调度后系统开始执行相关任务。系统有8项任务，分别是：RS485通信、开关量输入捕获、开关量输出、GPRS无线通信、GPS定位、E2PROM存储、W5500网络客户端通信、W5500网络服务器端通信。每个任务都有优先级及句柄，由任务调度器根据优先级给每个任务分配微控制器的使用权，以实现任务轮转调度。

3 实验与调试

根据模块的软硬件设计，制作出PCB板并进行器件焊接，形成了电源管理模块的样机，对样机进行各项功能实验和测试，主要包括：采集电源及环境参数、与自动重合闸模块485通信、与手持参数设置器进行串口通信、与服务器观看平台进行GPRS、GPS和以太网通信等，实验情况如图8所示。

RS485通信波特率为9600bps，电源管理模块可发送状态查询、故障查询、重启、开机、关机给自动重合闸模块，也可读取其电源数据及控制界面，通信数据包设有包头、指令码、数据长度、数据、检验位。

设置器主要用于配置及查看电源管理模块的以太网及GPRS无线网络的网络参数、电源信息等。模块与设置器采用标准串口通信，波特率为9600bps。图8中显示了模块的电源信息及配置本地网络参数的调试情况。

GPS主要实现电源管理模块的定位，GPRS功能在以太网中断时可以及时发送故障信息到运维平台。通过软件调试工具，可对GPRS进行通信调试。通过以太网，电源管理模块可主动向服务器定时发送设备运行状态信息，也可接收管控平台下发的操作指令。调试时使用TCP/UDP网络助手测试模块作为客户端和服务器端时的以太网通讯。相关通信及联调情况如图8所示。

4 总结

交通设备的高效管理和监控对提高城市公共交通系统效率有重要意义，本文设计了一种用于室外交通电源机柜的交通设备电源管理模块。模块采用基于32位ARM处理器多任务操作系统平台开发，实现对现场设备远程数据监测、电气控制及异常报警处理等功能，对交通系统设备起到预警和保护作用。该模块可为智能电控柜或其它监控系统做配套使用；也可作为协处理部件实现数据采集、控制、报警处理等功能，以扩充主系统功能。

图7：系统软件流程图

图8：电源管理模块实物及实验情况