基于M054芯片的船用數字調光器設計

蔣元星，邵忠輝

● （1. 浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231；2. 浙江欣亞磁電發展有限公司，浙江 舟山 316000）

基于M054芯片的船用數字調光器設計

蔣元星1，邵忠輝2

● （1. 浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231；2. 浙江欣亞磁電發展有限公司，浙江 舟山 316000）

介紹了一種船舶儀表背光照明數字調光器的設計，主要包括MCU 微處理器控制模塊、控制輸出模塊、RS485通信模塊、輸入與顯示模塊、限流與保護模塊等。采用M054微控制器輸出脈寬調制(PWM)信號來控制背光照明燈的亮度，實現了PWM全數字調光。經過實船使用測試，該調光器性能優越、可靠性高。

數字調光器；M054微控制器；脈寬調制(PWM)；RS485通信

0 引言

為了保證安全航行，現代船舶駕駛臺裝有大量的自動化駕控設備與儀表。船舶夜間航行時為了不使眾多設備背光照明干擾駕駛員的視線，船舶規范要求所有安裝于駕控臺的儀表、設備必須安裝調光器。傳統的船用設備背光照明調節都以大功率繞線式可調電阻為主，體積笨重，發熱嚴重，效率低，且不具有遠程控制接口。

本文介紹一種用于船舶儀表背光照明的數字調光器的設計，由具有ARM結構的M054微控制器產生的PWM（脈寬調制）信號來控制背光照明燈的亮度。從實際使用要求出發，增加了限流與短路保護、RS485通信模塊，所設計的調光器性能優越、可靠性高，已經由浙江欣亞磁電發展有限公司生產并在船上應用。

1 數字調光器的設計原理

采用PWM可調占空比輸出的方式來控制負載的平均有效電壓。該方法的基本思想就是利用單片機具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調整單片機的PWM控制寄存器來調整PWM的占空比[1]。PWM信號占空比是信號高電平時間與周期之比，其調制頻率是周期的倒數。

根據船舶駕駛儀表背光燈的實際要求，本調光器控制對象為30W以下的直流燈泡以及新型節能LED，直流24V、負載最大電流1.5A。用M054微控制器產生300Hz頻率的占空比可調脈沖信號，控制功率輸出管驅動負載，占空比0%～100%可調，將光源亮度分為10檔(0級～9級)來精確地進行數字調節，并具有記憶功能。

調光器的電路結構主要組成為：LED數碼管顯示部分、按鍵輸入部分、CPU控制與處理部分、開關控制輸出部分、過流檢測和信號調理部分、485通訊接口部分以及電源部分。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

系統在輸電時CPU讀取用戶設定的亮度值，輸出一定頻率和相應占空比的脈沖給開關控制輸出單元，驅動儀表背景燈。電流檢測單元實時檢測電流大小，并反饋給CPU的模數轉換端口，根據電流的大小控制輸出占空比的值來調節亮度，形成一個電流閉環系統，使亮度穩定。如果電流信號超出了短路設定值，立即停止輸出，保護輸出開關管的過流擊穿，增加了系統的可靠性。LED數碼管顯示，指示用戶設定的亮度值以及提示短路保護。

2 數字調光器硬件部分設計

2.1 控制器芯片選擇

綜合分析各種主流嵌入式微控制器性價比，結合本調光器控制需求，系統選用新唐 NuMicro M051? 系列的M054 LBN為主控制器。該芯片為ARM? Cortex?-M0內核的32位微控制器，成本僅相當于傳統的8位微控制器，主要性能[2]為：ARM? Cortex?-M0內核最高運行50MHz、24位系統定時器、單指令32位硬件乘法器，嵌套向量中斷控制器NVIC可設置4個優先級；16kB Flash存儲器用于用戶代碼的存儲，4kB Flash數據存儲器（Data Flash）用于保存用戶的數據，4kB Flash ISP引導代碼存儲器（LDROM）用于保存用戶ISP方式的程序代碼，4kB字節內建SRAM；在LQFP-48管腳封裝中最多支持40個通用I/O端口，并共享著特殊功能。40個引腳分配在P0、P1、P2、P3、P4五個口上，每個口最多8個引腳；4組32位的定時器, TIMER0～TIMER3；12位逐次逼近式模數轉換器ADC，轉換速率達760k SPS，最多8通道單端輸入或4通道差分輸入，支持單次轉換模式、突發模式、單周期掃描模式、連續掃描模式；內建4個16位PWM產生器，可輸出8路PWM或4對互補PWM。

2.2 PCB 板設計

2.2.1 原理圖繪制

采用PROTEL軟件設計繪制原理圖，其主要組成部分為：1）CPU控制；2）按鍵處理；3）數碼管顯示；4）蜂鳴器控制；5）電源；6）主回路輸出控制；7）RS485接口；8）過流保護。

CPU控制部分主要完成PWM波形的產生，電流信號處理并控制占空比，控制LED數碼管的顯示，同時監控鍵盤的輸入以便完成系統功能設定等操作。CPU根據按鍵輸入選擇亮度調節的PWM值，根據AD(模擬數字)采樣到的過流值與設定的值比較確定是否需要降低功率或者保護輸出，同時實時接受上位機輸出的遠程控制命令。整個微控制系統中采用了無源晶振的形式產生MCU所需要的時鐘信號。控制部分電路如圖2所示。

圖2 CPU控制部分電路

系統的復位采用了輸電復位的形式，輸電過程中微控制器復位引腳保證10ms以上的低電平就能可靠的將微控制器復位。系統設計了2個輸入鍵以實現系統功能的設定，每個鍵占用一個端口分別接P1.5和P1.6口。顯示單元主要完成用戶輸入設定的亮度檔位值顯示，范圍為 0～9。在外部線路短路時，將以2Hz的頻率閃爍，提示工作人員注意。LED指示的亮度跟著調節檔位的增大而變亮。蜂鳴器主要用于按鍵按下時的提示音，以及過流保護動作時的報警提示。電源穩壓采用美國國家半導體公司的開關穩壓芯片LM2576-5.0，提供CPU穩定的工作電壓及電流采樣部分信號調理的工作電源。

輸出控制部分主要控制燈的亮與滅。由于控制的頻率遠遠大于人的視覺惰性的臨界頻率 20Hz，所以看不到背景燈的閃爍。驅動管TIP142是大功率的達林頓管，Ice電流為5A，可以有效的驅動負載1.5A的燈泡。D3是極性保護二極管，電阻R9是電流采樣電阻，電路如圖3所示。過流保護信號調理主要由LM358放大電路和電流采樣電阻R9等組成，工作電流通過0.22歐姆電阻R9后產生0V～0.3V的微小的電壓，通過LM358放大器放大10倍后輸出0V～3V的電壓送給AD采樣端口。

圖3 輸出控制

RS232/422/485 都是串行數據接口的標準，RS232 是非平衡傳輸，RS422/485是平衡傳輸，RS485硬件設計簡單、控制方便、成本低廉，支持遠距離多機通信[3]。為了滿足與其他設備通訊，實現遠程控制調光需要，本調光器特別增加了 RS485通訊接口，電路圖如 4所示。其中TVS1～TVS3是起保護作用，防止通訊線上的涌浪電壓等。

圖4 RS器485通訊接口

2.2.2 PCB繪制

印刷電路板PCB分成輸出板和CPU板兩個部分。電源、輸出控制、電流信號調理以及485通訊組成一塊輸出板，如圖5所示。CPU部分、按鍵、LED顯示、復位、時鐘等組成另一塊CPU板，如圖6所示。

圖5 輸出板PCB圖

圖6 CPU板PCB圖

3 數字調光器軟件部分設計

3.1 主程序流程圖

整個程序分成按鍵輸入、PWM產生、AD采樣及過流處理、串口通訊處理4個獨立的任務，程序主流程圖與任務調度如圖7所示。系統送電后完成初始化工作，由調度程序處理任務的調度運行，按照各任務的時間運行各任務處理函數。

圖7 程序流程與任務調度流程圖

3.2 主要源代碼片段

本項目利用Keil的μVision開發工具實現工程管理、程序的編寫、編譯、調試以及下載。而調試或下載程序到目標板上則需要調試驅動程序的支持，Nuvoton為μVision提供了Nu-Link調試驅動程序，它主要用來輔助μVision調試Cortex-M0系列芯片，在μVision的工程配置選項里選擇了Nu-Link調試驅動程序后，就可以進行程序的調試[4]。

(1) PWM脈沖函數

4 結語

本文設計的船用數字調光器通過由ARM結構M054微控制器產生的PWM信號來控制背光照明燈的亮度。調光器具有直觀的LED數碼管顯示及短路提示，智能化的軟啟動和故障重復，限流保護以及輸出短路保護功能，光強輸出穩定，其亮度可數字化線性調節并具有記憶功能等特點，同時還可以通過 RS485通信擴展各種遠程控制接口，實現遠程自動調光。經過實船使用測試，該調光器具有功能強、可靠性高的特點。

[1] 魏雅. 基于PWM 的LED調光系統設計[J]. 無線互聯科技, 2012(8): 113-115.

[2] 新唐科技(Nuvoton). NuMicro M051? BN系列-M052/M054系列規格書V1.01[M]. 新竹:新唐科技(Nuvoton),2012.

[3] 蔣元星, 邵忠輝. 多冗余輸出的數據采集處理單元設計與實現[J]. 現代電子技術, 2010(11): 97-99.

[4] 新唐科技(Nuvoton). NuMicro Cortex-M0 Keil μVision驅動之Nu-Link用戶手冊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

蔣元星（1970-），男，副教授，碩士，主要研究方向為計算機監控系統以及相關軟件技術。