基于STM32F103的隧道回路調光控制器設計

任定芳

【摘 要】公路隧道在公路系統中一直占有不小的比例，而隧道照明是隧道工程不可分割的一部分。隧道由于其結構的特殊性，隧道照明與傳統的道路照明相比有其特殊的地方。隧道內自然光照條件差，全天補光照明能耗高，隧道的入口段和出口段出現“黑洞”“白洞”現象，亮度需求不一致。為解決這些問題，設計開發了隧道回路調光控制器，根據使用環境的變化實時調整隧道燈亮度，節省了能耗，達到了節能減排、減少隧道運營費用的目的。

【關鍵詞】回路調光控制器;隧道照明;嵌入式實時操作系統

【中圖分類號】U453.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）07-0053-03

0 引言

隨著經濟的快速發展，市政道路建設規模越來越大，隧道建設的規模也隨之越來越大，而隧道照明是隧道工程不可分割的一部分，其技術需求也越來越高。隧道照明可以改善隧道內路面照明狀況，提高隧道內視覺享受，減輕駕駛員疲勞，有利于提高隧道通行能力，對隧道的交通安全起著至關重要的作用。長期以來，如何提高照明效率、節約能源、降低成本、保障交通安全，一直是人們研究隧道照明的主要問題，至今已取得了一定的成果。

1 隧道照明亮度要求

隧道由于其結構的特殊性，隧道照明與傳統的道路照明相比有其特殊的地方：①隧道內由于其自然光照條件差，為了保證行車的安全，洞內必須全天24 h都提供補光照明，因此隧道在運營時會有很高的電費成本，需要有切實可行的降低能耗的方案。②隧道的入口段和出口段為避免出現“黑洞”“白洞”現象，亮度設置與洞內的不一樣。

2 隧道回路調光控制器設計

為解決隧道照明存在的安全隱患、無效照明導致的能源浪費，以及降低能耗減少運營成本，提供良好的、舒適的行車環境，設計了一款可以根據使用環境的變化實時調整隧道燈亮度的基于STM32F103的隧道回路調光器。隧道照度分布如圖1所示。

2.1 硬件設計

隧道回路調光控制器以STM32F103C8T6單片機為核心，結合AC-DC電源轉換電路，DC-DC電源轉換電路、RS485通信電路、0～10 V連續可調輸出電路形成完整功能整體，其硬件結構框圖如圖2所示。

（1）STM32F103C8T6是意法半導體推出的以cortex-M3為內核的中性能單片機，主頻為72 MHz，擁有20 KB的片內SRAM和64 KB的片內flash，可以滿足如freeRTOS、ucOSII、RT-Thread等嵌入式實時操作系統的資源需求。此外，STM32F103C8T6的外設也非常豐富，提供了3路通用異步串行接口，2路SPI接口及4個通用的定時器，可以完全滿足調光控制器所需的外設要求。

（2）AC-DC電路的作用是將220 V的交流市電轉換為控制器所需要的直流電源，AC-DC的轉換采用的是明緯電源的IRM-30-12型開關電源，IRM-30-12是一款專門針對工業領域的開關型電源，具有體積小、能量密度高、寬幅電壓輸入、耐候性能好等特點，電源經過灌膠處理后具有一定的防水能力，可以工作在-30～85 ℃的溫度范圍，同時滿足EN55022 classB的標準，非常適合于調光控制器這種在戶外使用的工作場景。

（3）RS485接口是隧道燈回路調光控制器的通信接口，控制器通過RS485接口與上層控制器通信。RS485是一種在工業領域常用的半雙工通信總線，采用差分方式傳輸信號，抗干擾能力強，傳輸距離遠，因此非常適合應用于工作環境在戶外的回路調光控制器上。RS485接口電路使用的是致遠電子的隔離RS485收發器，型號為RSM485PHT，具備以下特點：采用電源和信號線雙隔離的方式，隔離電壓高達2 500 V DC，帶載能力強，可以帶載128個節點，體積緊湊，有利于減少產品的尺寸，同時隔離器做了灌膠處理，因此具備一定的防水能力，工作環境溫度為-40～85 ℃，可靠性高。

（4）DC-DC電路的作用是將AC-DC電路輸出的直流電壓轉換為控制器其他工作電路所需的直流電壓。本設計中AC-DC電路的輸出是12 V DC，除0～10 V連續可調輸出電路外其他的電路均使用3.3 V直流電壓，因此需要一個能將12 V DC轉換為3.3 V DC的電路，DC-DC的轉換可以使用兩種不同原理的裝換電路：一種是線性穩壓電路，這類電路的輸出紋波好，常用于模擬電路的電源電路上，但是這類電路的效率不高，在大功率的應用場景下發熱明顯，同時電路的體積大。另一種是開關型轉換電路，這類電路的轉換效率高，可達90%以上的轉換效率，在大功率的應用場景下發熱不明顯，同時小體積的電路就可以提供大功率的輸出。本設計中，轉換電路的輸入電壓為12 V DC，輸出電壓是3.3 VDC，如果采用線性穩壓電路進行轉化，會有8.7 V DC的壓差落在穩壓電路上，因此轉換效率低，功率大時發熱明顯，電路的穩定性變差。所以轉換電路采用的是開關型轉換電路，轉換芯片采用的是德州儀器的TPS54229，該芯片的輸入電壓范圍為4.5～18 V DC，輸出電壓范圍為0.76～7 V DC，涵蓋了輸入的12 V DC和輸出的3.3 V DC，滿足電路的電壓需求。同時，TPS54229還是同步降壓型芯片，工作效率高，可以節省掉非同步降壓型電路所需的續流二極管，在降低了硬件成本的同時減小了電路的體積。

（5）0～10 V連續可調輸出電路是調光控制器的核心電路之一，其功能是輸出一個驅動能力為1A的模擬電壓，電壓的范圍為0～10 V，調光電路的輸出與隧道燈的開關電源的0～10 V調光線連接在一起，開關電源根據調光線上的電壓值調整電源的輸出功率，以實現調整隧道燈的亮暗。調光電路接收STM32F103C8T6傳送的PWM信號，并根據PWM信號的占空比線性地調整模擬電壓的幅值，當占空比為0時，輸出0 V，當占空比為100%時，輸出10 V。PWM信號首先通過無源的低通濾波電路轉換為直流電壓，直流電壓再通過運算放大器LM358經過3倍線性放大輸出給驅動電路。驅動電路根據參考電壓進行功率輸出，驅動電路采用了以TL494芯片為核心的方案，TL494常應用于開關電源中，是一種固定頻率脈寬調制電路，內置了5 V參考基準電壓源和線性鋸齒波振蕩器，外部只需要一個電容和一個電阻設置開關頻率。TL494驅動方案所需的外圍電路器件少，可靠性高。

2.2 軟件設計

2.2.1 嵌入式實時操作系統

隧道回路調光控制器采用了基于嵌入式實時操作系統的方式進行設計，與傳統的前后臺設計方式相比，有如下幾點好處：①嵌入式實時操作系統大多采用搶占式內核，因此可以保證系統最先響應優先級最高的任務線程，而傳統的前后臺設計方式，采用的是在中斷服務程序中設置標志位，再在主程序中輪詢處理各個業務邏輯，無優先級可言，不能保證緊急事務的優先處理。②基于操作系統設計時，可以將整個系統的業務邏輯拆分多個線程，各個線程之間耦合度低，便于修改，也便于多人協同開發，而傳統的前后臺設計模式各個業務邏輯之間耦合度較高。

2.2.2 RT-Thread嵌入式實時操作系統

本設計中采用的是RT-Thread嵌入式實時操作系統，RT-Thread是一款優秀的國產實時操作系統，基于Apache許可證2.0版本授權，可以用于商業應用。RT-Thread與freeRTOS、ucOSII等同類型的操作系統相比有如下幾點優勢：①具有豐富的已移植的功能組件，如網絡協議棧lwip，文件系統littlefs、Fatfs、UFFS等，工業領域常用的通信協議Modbus-RTU等，開發人員可以根據項目的需求進行配置，大大縮短了項目開發時間。②RT-Thread采用類似于Linux的menuconfig的圖形界面進行系統配置，并可以跟意法半導體官方的底層配置工具STM32CubeMX相結合，易用程度高。③系統符合POSIX標準，便于移植一些Linux系統上的軟件。④RT-Thread提供一個shell交互界面，便于開發過程中進行調試。

2.2.3 調光控制器的軟件工作原理

調光控制器的軟件工作流程如圖3所示。

（1）調光控制器上電后首先進行硬件的初始化，設置系統時鐘，初始化通用異步串行控制器、SPI接口、定時器、PWM。

（2）初始化文件系統littlefs，從配置文件中讀取出系統的配置信息，根據地址信息及通用異步串行控制器的波特率、數據位寬、結束位寬、奇偶校驗方式配置RS485接口電路及Modbus-RTU協議。

（3）根據配置信息設置0～10 V調光電路的輸出電壓，將與調光控制器相連接的隧道燈調整到指定的亮度。

（4）偵聽RS485接口上上層控制器發出的Modbus-RTU指令，根據收到的指令類型進行相應操作，收到調光指令則首先將指令中包含的目標亮度值保存至配置文件中，然后再將0～10 V調光電路的輸出調整至指定的幅值，收到查詢指令則將當前調光控制器的輸出亮度值返回給上層控制器，收到配置指令則將相應的配置參數保存到配置文件中，并根據配置參數設置調光控制器的相應操作。

（5）中斷服務程序用于處理地感線圈的觸發信號，如果接收到中斷信號，則在中斷服務程序中發出消息，調光服務程序接收到信息后將0～10 V調光電路的輸出調整到配置參數指定的幅值，經過預設的觸發延遲時間后，調光服務程序再將0～10 V調光電路的輸出恢復到觸發前的幅值。

3 結語

本隧道調光控制器采用了32bit的精簡指令集MCU作為系統的控制單元，基于RT-Thread嵌入式實時操作系統，結合Modbus-RTU通信協議、Littlefs文件系統完整地實現了與上層控制器的數據收發與指令控制，配置參數的存儲與讀取，以及用于隧道燈調光的0～10 V電壓輸出，實現了根據使用環境的變化實時調整隧道燈亮度，提高了照明效率，節省了能耗，達到了節能減排和減少隧道運營費用的目的。

參 考 文 獻

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