基于ARM單片機載波照明控制器的設計

李士楊

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

近年來，隨著載波通信技術的發展和成熟，低壓載波通信[1-3]在自動抄表、照明控制以及電力系統遙控監測等方面得到了廣泛應用。但是，由于井下環境的特殊性，載波通信在井下難以實現。針對這一問題，文中設計了一種基于ARM單片機載波照明控制器。

1 控制器的硬件設計

隨著單片機技術的發展，STM32F103RBT6增強型LQFP64單片機[4-5]內核是ARM32位的 Cortex-M3的CPU，此內核是最新一代的ARM處理器，其提供了低成本平臺、低系統功耗、多輸入輸出口及A/D口，同時提高了數據的處理能力和縮短了中斷系統的響應時間。SC1128[6]是一款適合中國低壓電網特性的專用載波通信芯片，價位較低，并且其內部集成了多功能的電路，提高了電力線通信的抗干擾及抗衰減能力。基于以上優點，文中設計了一種基于ARM單片機的載波照明控制器，該控制器與以往的電纜照明控制器相比，具有很好的優越性。

1.1 結構及其原理

載波照明控制器結構如圖 1所示，它以STM32F103RBT6增強型LQFP64單片機為控制核心，以電力線載波通信芯片SC1128為基礎，輔以外圍接口電路設計，實現實時監控多盞燈中任一盞燈的亮滅及實時保護整個照明系統。該系統硬件電路結構包括電力線接口部分、載波信號的發射和接收部分、信號的調制解調部分、單片機控制部分、LCD顯示部分、漏電保護部分和負載部分。

漏電原理：隔離開關HK閉合，三相四線電與電抗器HL耦合產生耦合電流I，I經過電流/電壓轉換為電壓信號U，U再送給單片機的ADC_IN口，經單片機分析和判斷，能及時控制接觸器KM1-1-3的開與閉，從而保護整個照明系統。

工作原理：電力線載波信號經耦合電路、接收電路，進入SCll28模塊，經過處理后，送入單片機ADC_IN口，由單片機程序將燈亮或滅的命令信號送給SC1128模塊，SC1128發出調相信號通過發射電路發送至電力線上，實時控制燈的亮與滅，與此同時單片機將燈亮與滅的信號送入液晶模塊顯示出相應數據。

1.2 外圍電路的設計

載波照明控制器外圍電路圖如圖2所示，它主要有隔離開關 HK、三相高/低壓隔爆型變壓器 660（1140）/127 V、漏電保護裝置、開關電源電路、載波照明控制器的保護插件和負載電路等組成。其主要實現外圍電路和內圍電路的接口連接，進一步完善電路設計。

1.3 內部電路的設計

STM32F 103RBT6單片機與SC1128的引腳接口如圖3所示。

1.3.1 主芯片選型

圖1 載波照明控制器結構示意圖Fig.1 Carrier lighting controller structure schematic diagram

圖2 外圍電路圖Fig.2 Peripheral circuit diagram

根據設計要求，文中選用STM32F103RBT6增強型LQFP64單片機、STC12C5620AD單片機、SC1128的電力線載波通信芯片和OCMJ4X8C型液晶顯示模塊。

1.3.2 SCll28與單片機接口

在載波發射模塊中，STM32F103RBT6單片機與SCll28芯片的接口連接關系如圖3所示。圖中，STM32F103RBT6增強型LQFP64單片機通過14腳PA0、15腳 PA1和16腳 PA2引腳對SCll28的41腳 CS、40腳 SETCLK、39腳LINE進行設置，以實現數據同步輸入或輸出。

在載波接收模塊中，STC12C5620AD單片機與SCll28芯片的接口連接關系如圖4所示。

1.3.3 電力線接口電路

電力線接口電路的功能是SC1128芯片與電力線相耦合，主要包括耦合電路、接收電路（帶通濾波器和前級放大器）和發送電路（功率放大電路），其中耦合電路是電力線接口電路設計的核心部分。

電力線載波通信過程為：電力線載波信號經過經耦合電路、帶通濾波器和前級放大器進入SCll28的一級運算放大器（13腳），經過處理后供單片機處理，數據由單片機送至SC1128芯片，經其處理后由24腳發出調相信號通過功率放大器耦合電路發送至電力線上，再由單片機將電力載波芯片切換到接收狀態，完成信號在電力線上的發送接收過程。

耦合電路設計如圖5所示。本文通過單片機控制繼電器可選擇任意兩相低壓電力線與耦合電路連接，以減小載波信號傳輸中的各種干擾。該電路在設計時取電力線的阻抗為3～30 Ω，127 V電力線路側為T2的副邊，阻抗比為11/18。

1.3.4 漏電保護原理

圖3 STM32F103RBT6單片機與SCll28的引腳接口Fig.3 Pins interface of STM32F103RBT6 microcontroller and SCll28

圖4 STC12C5620AD單片機與SCll28的引腳接口Fig.4 Pins interface of STC12C5620AD microcontroller and SCll28

圖5 耦合電路Fig.5 Coupled circuit

煤礦井下環境特殊，供電電纜容易受到潮濕環境的影響以及外部損壞，其中大部分為對地絕緣損壞，所以文中采用附加直流電源型漏電保護裝置，即當電網的某一支路發生漏電時，漏電保護系統僅使開關切斷漏電故障所在支路，并保證非漏電故障支路正常供電。這樣就需要及時監測電力線中的電阻值、電壓值及電流值。設計的采樣保護電路如圖6、7所示。

圖6 漏電保護電阻、電壓、電流信號采集圖Fig.6 Signal acquisition figure of leakage protection resistance，voltage and current

1.3.5 電源模塊

本系統需要+12 V、+5 V、+3.3 V電壓，則設計電源模塊如圖8所示。

圖7 漏電保護接口控制電路圖Fig.7 Interface control circuit of leakage protection

圖8 電源模塊Fig.8 Power supply module

2 控制器的軟件設計

文中根據STM32系列的單片機特點，采用穩定性較好的RVMDK3.80A版本的開發軟件，通過C語言編程，有ULINK2仿真器通過JTAG接口將程序下載到載波照明開發板上，可進行在線仿真。文中軟件程序設計主要是單片機檢漏保護模塊程序、電力線接口模塊程序、單片機控制負載程序和LCD顯示模塊程序的設計。單片機檢漏保護模塊程序主要完成電壓信號的采集、數據的發送/接收中斷；電力線接口模塊程序主要完成SCll28初始化化、數據發送／接收中斷和看門狗復位；單片機控制負載程序主要完成數據發送/接收中斷；LCD顯示模塊程序主要完成數據的接收及顯示。主控部分主程序除了要完成電力線接口模塊程序的任務外，還要轉入相應的子程序，進行端口的設置，對接收的數據或命令進行設定值比較，轉入相應的處理子程序，顯示致據。程序流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖Fig.9 Program flow chart

3 結 論

文中針對井下用電的特殊性，利用ARM單片機和載波通信芯片SC1128，設計了一種基于ARM單片機載波照明控制器。該控制器利用低壓電力線作為通信媒介，保障了電力線通信的可靠性，利用現有的電網資源，節約了成本，實現了通信網絡化，同時通過電力線載波傳送數據，實現了井下載波照明的智能控制，同時也證明了電力線載波通信技術具有更好的適應性和先進性，進一步展示了低壓電力線載波通信的美好發展前景。

[1]陸仲達，何鵬，徐鳳霞，等.基于電力線載波技術的輸液遠程監測系統[J].微計算機信息，2008，24（6-2）：112-113.LU Zhong-da，HE Peng，XU Feng-xia.The remote monitoring system of infusion based on power line carrier technology[J].Control&Automation，2008，24（6-2）:112-113.

[2]馬惠敏，田偉，王志超.基于載波技術的照明節電系統研制[J].北華大學學報，2006，7（2）:178-181.MA Hui-min，TIAN Wei，WANG Zhi-chao.Control system of lighting for saving electricity based on carrier wave[J].Journal of Beihua University Natural Science，2006，7 （2）:178-181.

[3]李愛秋，季昌瑞.基于電力載波的學生宿舍用電控制器的設計[J].電工技術，2007（10）：76-77.LI Ai-qiu，JI Chang-rui.Design of electric power use controller of students dormitory based on electric carrier[J].Electric Engineering，2007（10）:76-77.

[4]STM32F103xB數據手冊[S].10版.深圳市迪通科技有限公司產品說明書，2009.

[5]黃盈鑫.STM32F103-EVAL用戶手冊[S].盈鈺工作室技術文，2007.

[6]SC1128擴頻通信芯片應用設計手冊[S].北京智源和徽電子技術有限公司產品說明書，2003.