基于STM32的交通電源管理模塊設計

文/張中旭

交通設備的日益增多使我國交通網絡及其管理問題越來越突出，智能化以及自動化成為解決現階段交通問題的一個重要技術手段。我國明確提出公共交通優先發展戰略 ，實現交通設備的高效管理和監控，對提高城市公共交通系統效率有重要意義。目前交通電源設備管控系統可靠性低，管理性差，且布置分散化，運維不便。因此，發展智能化的交通電源管控系統，實現交通設備故障的及時、準確預報預警，是十分必要的。

美國霍尼威爾公司的霍尼韋爾數字安防集成平臺HUS是該領域的經典產品，是多級分布式綜合監控管理系統。目前，單片機、ARM、嵌入式、可編程邏輯控制器、工業總線技術、DSP等被應用其中以提高系統實時性和集成度。

本文從提高城市公共交通控制系統的運維效率出發，以STM32微控制器為核心，設計了一款用于室外交通電源機柜的電源管理模塊，具有斷電報警、斷網報警、以太網通信、GPRS通信、GPS定位、輸入信號量檢測、繼電器輸出等功能，對整個交通系統的設備正常工作起到預警和保護作用。通過實驗結果可知，該系統運行穩定可靠，可以顯著提高城市交通設備的運維效率。

1 電源管理模塊總體設計

交通設備電源管控網的組成如圖1所示，主要由運維管控平臺、網絡通信設備、交通設備電源管控機柜、外圍設備等組成。當設備的某些環境參量超出了正常范圍值，監控系統發出聲光警報，提醒操作人員處理，并對電源機柜進行斷電保護。當發生故障時，故障數據將通過基站和核心交換機傳輸到云管控平臺，平臺會分析統計數據進而得出故障發生的原因、位置和頻率等，并在用戶PC終端以EXCEL表格形式導出。

圖1：交通設備電源管控網的組成

圖2：電源管理模塊總體設計

圖3：基于W5500的以太網網通信原理圖

電源管理模塊總體設計如圖2所示，本文設計的電源管理模塊在交通設備電源管控機柜內，負責采集機柜的電源和環境溫濕度、水浸、電源、網絡等參量和狀態，并通過有線網絡或無線網絡傳輸到設備運維管控平臺，實現交通設備的遠程無人值守。電源管理模塊的主控制芯片為STM32F407ZET6，具有掉電檢測、存儲、LED指示、按鍵以及網絡、GPRS通信、GPS定位等電路，能應用于智能交通、城市治安、通信基站、戶外機柜等，可以實現對現場設備遠程數據監測、電氣控制及異常報警處理等功能。

2 系統軟硬件設計

圖4：GPRS和GPS電路原理圖

圖5：信號量輸入捕獲電路原理圖

圖6：信號量輸出電路原理圖

硬件電路是以STM32F407VET6為核心設計，包括主控器電路、溫濕度測量模塊電路、以太網通信電路、RS485通信接口電路、信號量輸出電路、信號量輸入捕獲電路、GPRS無線網絡通信和GPS定位電路、程序下載電路、實時時鐘電路、存儲電路、電源電路、超級電容充放電電路等。下面主要對以太網通信電路、GPRS無線網絡通信和GPS定位電路、信號量輸出電路、信號量輸入捕獲電路等進行說明。

2.1 以太網通信電路設計

以太網通信電路如圖3所示。其中W5500是一款嵌入式網絡控制器，集成了硬件TCP/IP通信協議棧，支持TCP、UDP、UPV4、ICMP、ARP、IGMP以及PPPoE協議。該芯片3.3V供電，IO口可耐受5V電壓，具有網絡喚醒和掉電兩種低功耗模式。電路在網口設計中添加了網絡變壓器HX1188NL，起到增強網絡信號、隔離、耦合等作用，提高網絡通信電路的可靠性。

2.2 GPRS無線網絡通信和GPS定位電路設計

GPRS通信和GPS定位采用A7模塊，電路原理如圖4所示。A7模塊特點是覆蓋范圍廣、永久在線、按量計費、傳輸穩定支持透明傳輸。A7主控芯片集成度高，使用方便，只需一些簡單的阻容器件，就能完成GPRS與GPS功能。電路由供電電路、主控芯片電路、復位電路、指示燈電路、SIM卡電路、以及雙排接線端子組成。

2.3 信號量輸入捕獲電路設計

信號量輸入捕獲電路用于檢測柜門是否開啟、設備是否浸水、外圍設備的輸出狀態等，輸出控制電路可用于配合溫濕度檢測結果，控制風扇、加熱棒等設備的電源開關。電路原理如圖5所示，它采用了有源輸入與無源輸入共用隔離芯片的方式，通過焊接不同阻容器調整有源輸入和無源輸入兩種輸入方式，節省了空間和成本，并提高了電路的兼容性。

2.4 信號量輸出電路設計

信號量輸出電路中采用3A、額定電壓為12V的繼電器HK4100F，其動作時間快，溫度范圍較廣，電路如圖6所示。限流電阻和高速開關二極管1N4148用于保護光耦電路，起到斷電續流，以泄放繼電器斷電時電感的儲能。

2.5 系統軟件設計

系統軟件采用MDK-ARM平臺開發，能夠支持ARM7、ARM9以及最新的Cortex-M3、Cortex-M4內核處理器。軟件流程如圖7所示，微控制器上電后，首先對微控制器、外圍設備及系統參數進行初始化，然后創建任務及任務通信機制，啟動調度后系統開始執行相關任務。系統有8項任務，分別是：RS485通信、開關量輸入捕獲、開關量輸出、GPRS無線通信、GPS定位、E2PROM存儲、W5500網絡客戶端通信、W5500網絡服務器端通信。每個任務都有優先級及句柄，由任務調度器根據優先級給每個任務分配微控制器的使用權，以實現任務輪轉調度。

3 實驗與調試

根據模塊的軟硬件設計，制作出PCB板并進行器件焊接，形成了電源管理模塊的樣機，對樣機進行各項功能實驗和測試，主要包括：采集電源及環境參數、與自動重合閘模塊485通信、與手持參數設置器進行串口通信、與服務器觀看平臺進行GPRS、GPS和以太網通信等，實驗情況如圖8所示。

RS485通信波特率為9600bps，電源管理模塊可發送狀態查詢、故障查詢、重啟、開機、關機給自動重合閘模塊，也可讀取其電源數據及控制界面，通信數據包設有包頭、指令碼、數據長度、數據、檢驗位。

設置器主要用于配置及查看電源管理模塊的以太網及GPRS無線網絡的網絡參數、電源信息等。模塊與設置器采用標準串口通信，波特率為9600bps。圖8中顯示了模塊的電源信息及配置本地網絡參數的調試情況。

GPS主要實現電源管理模塊的定位，GPRS功能在以太網中斷時可以及時發送故障信息到運維平臺。通過軟件調試工具，可對GPRS進行通信調試。通過以太網，電源管理模塊可主動向服務器定時發送設備運行狀態信息，也可接收管控平臺下發的操作指令。調試時使用TCP/UDP網絡助手測試模塊作為客戶端和服務器端時的以太網通訊。相關通信及聯調情況如圖8所示。

4 總結

交通設備的高效管理和監控對提高城市公共交通系統效率有重要意義，本文設計了一種用于室外交通電源機柜的交通設備電源管理模塊。模塊采用基于32位ARM處理器多任務操作系統平臺開發，實現對現場設備遠程數據監測、電氣控制及異常報警處理等功能，對交通系統設備起到預警和保護作用。該模塊可為智能電控柜或其它監控系統做配套使用；也可作為協處理部件實現數據采集、控制、報警處理等功能，以擴充主系統功能。

圖7：系統軟件流程圖

圖8：電源管理模塊實物及實驗情況