（系统工程专业论文）公共照明远程监控设备的设计和实现.pdf

摘要 传统的公共照明控制和管理维护手段存在效率低、成本高、无法监控等问题， 已经不能适应现代化城市的发展速度。随着社会和科技的不断发展，采用先进的 公共照明远程监控系统，具有自动化程度高、运行可靠、使用维护方便等特点， 成为各市政府极为关心的市政形象工程。本文在分析比较现存公共照明监控设备 功能的基础上，研究了公共照明远程监控系统的工作原理、实现的功能及特点， 结合当今社会对公共照明控制管理的要求，针对其中的传统通讯方式存在的不 足，借助自动化控制、数据采集系统和当今先进的远程无线通讯技术g p r s 无线通信的方式，设计了一套公共照明远程监控设备。 该设备以t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机为主控器，实现对现场接触器状 态、电压、电流等开关量和模拟量的检测控制。通过g p r s 无线远程通讯的方式 与监控中心建立网络连接，接受监控中心的命令，并将检测到的数据通过g p r s 无线网络上传到监控中心，并在此基础上制定了一套成熟的通信规约。该设备设 计有带l c d 的人机接口界面，使用户可以现场更直观地查询公共照明设施的运 行状况。另外，对主控器的串口进行了扩展，实现了以电力载波扩频技术为基础 的电缆防盗功能和基于d l t - 6 4 5 规约的远程抄表功能，使用户在监控中心就可 以了解到现场状况，及时采取措施解决问题。 本文第一章首先简要概述了课题的背景和研究意义、国内外公共照明监控系 统的现状和发展及本人的主要工作；第二章在分析各种远程通讯方式的优劣，结 合公共照明远程监控系统应具有的功能和设计原则，确定了监控设备的总体设计 方案；第三章详细阐述了公共照明远程监控设备的硬件设计：第四章分析了公共 照明远程监控设备软件的整体架构及具体实现方法；第五章对监控中心软件的配 置方案及实现的功能进行了初步的研究；第六章介绍所设计的公共照明远程监控 设备的实现；第七章对本文进行了总结。 关键词：远程监控；g p r s ；m s p 4 3 0 ；远程抄表；电缆防盗 a b s t r a c t t h ec o n t r o l l i n gm e t h o df o rt r a d i t i o n a lp u b l i cl i g h ts y s t e mc a n n ts a t i s f yt h en e e d s o fm o d e mc i t y , f o rt h eq u e s t i o n se x i t i n gi ni ts u c ha sl o we f f i c i e n c y , h i g hc o s t ，u n a b l e t om o n i t o r a l o n gw i t hs o c i a la n dt e c h n i c a lu n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ，t h ec h a r a c t e r so f a d v a n c e dp u b l i cl i g h tr e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma r ea u t o m a t i c ，r e l i a b l e ， s a v i n ga n dc o n v e n i e n t ，t h ep u b l i cl i g h tr e m o t ec o m p u t e rs u p e r v i s o r ys y s t e mh a s a l r e a d yb e c o m em u n i c i p a la d m i n i s t r a t i o nv i v i dp r o je c t w h i c hv a r i o u sm u n i c i p a l g o v e r n m e n t sc a r ef o re x t r e m e l y i nt h i sp a p e r , w i t h i nt h ea n a l y s i so fe x t a n tp u b l i c l i g h ts u p e r v i s o r ys y s t e m sf u n c t i o na n dt h es o c i e t yr e q u e s tt ot h ep u b l i cl i g h tc o n t r o l m a n a g e m e n t ，s t u d i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l e s ，f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r so ft h ep u b l i c l i g h t r e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e m ，w e u n i f y w i t ht h ea i do ft h e a u t o m a t i o nc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h ea d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y - 一- g p r s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a l s oan e wp u b l i c l i g h t r e m o t e m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e i s d e s i g n e d ，w h i c ht h e r e a l t i m e c o m p u t e r m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n go f t h eu r b a np u b l i cl i g h ti sr e a l i z e d t h i se q u i p m e n tu s et h em s p 4 3 0 f14 9o ft ic o m p a n ya sm c u ，w h i c ht h e d e t e c t i o na n dc o n t r o lo fc o n t a c t o rs t a t u s 、v o l t a g e 、c u r r e n ta r er e a l i z e d t h ee q u i p m e n t c o n n e c t st om o n i t o rc e n t e rv i ag p r sw i r e l e s sr e m o t ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d a l s oi t c a nr e c e i v em o n i t o rc e n t e rc o m m a n d ，u p l o a dt h ed a t at om o n i t o rc e n t e r , a n do nt h e b a s i st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sm a d e t h el c dh m ii sd e s i g n e d ，s ou s e r sc a n c h e c kt h ep u b l i cl i g h te s t a b l i s h m e n ts t a t u s b e s i d e s ，t h em c us e r i a lp o r ti se x t e n d e d ， w h i c hr e a l i z et h ec a b l ea n t i b u r g l a r yf u n c t i o nb a s e do np o w e rl i n ec a r d e rt e c h n o l o g y a n dr e m o t em e t e rr e a d i n gf u n c t i o nb a s eo nd l t - 6 4 5p r o t o c o l ，s ou s e r sc a nk n o wt h e l o c a l es t a t u sa n d a d o p tm e a s u r e st os o l v ep r o b l e m s t h ef i r s tc h a p t e rh a sf i r s ts u m m a r i z e db r i e f l yt h es y s t e mp r o j e c tb a c k g r o u n d ，t h es i t u a t i o n a n dd e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n df o r e i g ns t r e e tl i g h t ss u p e r v i s o r ys y s t e ma n dm ym a i nw o r k t h e s e c o n dc h a p t e ra n a l y s et h ea d v a n t a d g e sa n dd i s a d v a n t a d g e so fd i f f e r e n tr e m o t ec o m m u n i c a t i o n m e t h o d ，c o m b i n e dw i t hp u b l i cl i g h tr e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mf u n c t i o n sa n d p r i c i n p l e s ，d e t e r m i n et h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m e t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r e d e s i g no fp u b l i cl i g h tr e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c ei nd e t a i l t h ef o r t h c h a p t e ra n a l y z et h ee n t i r e l ys t r u c t u r ea n dt h ei m p l e m e n tm e t h o do fp u b l i cl i g h t r e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e t h ef i f t hc h a p t e rs t u d y st h ec o n f i g u r a t i o n s c h e m ea n df u n c t i o n so fc e n t e rm o n i t o rs o f t w a r e t h es i x t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h e r e a l i z a t i o no fp u b l i c l i g h tr e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e a tl a s t ，w e s u m m a r i z et h ea r t i c l e k e yw o r d s ：r e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g ；g p r s ；m s p 4 3 0 ；r e m o t em e t e r r e a d i n g ；c a b l ea n t i b u r g l a r y 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文 写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法 享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：f 氨支玛 。o 苫年9 月加日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( v ) ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：f 贰主鹊日期：2 口口8 年y月2 口同 翩签名：司蜘、胁功年歹月印日 第一章概述 第一章概述 1 1 课题产生的背景和研究意义 公共照明是城市形象的标志，是城市的窗口，也是城市建设中必需的公用基 础设施。城市公共照明是关系到市民切身利益的重要环节，直接反映了城市的建 设水平和市容风貌，其控制和管理水平更显示出城市的现代化程度。我国目前的 公共照明设施监控系统总体来说技术还比较落后，大多数地区还在使用传统的控 制方式，包括人工控制方式、时控方式和光控方式三种。人工控制方式是根据开 关灯时间表由值班人员手动进行开、关灯操作。时控方式以时间为唯一的开、关 灯依据，不论在任何季节气象条件下，均只能在规定的统一时刻开、关灯，随季 节变化，需要人工干预来调整开关时问。光控方式是按光照度的差异来控制开、 关灯的，但在光线不足的白天或有强光照射的夜晚，可能会发生误动作。传统的 公共照明控制方式由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，所以 运行、操作结果不能集中监视、记录和统计，达不到量化管理的要求。传统的控 制方式中，设备是否正确动作、工作是否正常等无法及时知道，只有靠大量工作 人员巡视、市民报修等手段来了解。随着近年来城市路灯、景观灯等公共照明设 施数目的快速扩展，设备巡视的工作量也越来越大，在节假同及特殊情况需要保 证全市亮化率的时候，人员上线巡视尚满足不了要求，同时由于人工巡视存在巡 视周期问题，无法及时掌握设备故障情况，从而导致故障得不到迅速处理，亮灯 率、故障率等数据也无法实时统计。 显然这种落后的控制与维护手段已远远不能适应城市现代化发展的要求。近 年来，计算机技术发展迅速，结合各行业实际取得了许多成果，极大的推动了社 会发展。城市公共照明监控系统要求符合时代进步要求，能够提高照明设施管理 效率与现代化程度，提高照明质量，节省运行所需人力、物力。借助于计算机、 通信等先进技术，开发研制一套自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护 方便的公共照明无线远程监控设备正是本课题要解决的问题1 。 本论文采用无线监控系统以后，系统的运行情况将得到根本的改善。通过监 控中心的实时监控，可以实时巡检各站点的工作情况，包括当前电压、电流以及 第一章概述 电能值和开关灯状态等。当站点出现故障的时候，信息能够很快反映到监控中心 进行报警处理，从而使得故障能够尽快得到处理，保证照明设施处于良性状态。 该远程监控系统还可以大大减小管理人员劳动强度，降低物资消耗，延长灯具使 用寿命，减少电能消耗，具有很高的经济价值。同时应用该系统可以极大提高城 市监控自动化水平，有效提高亮灯率，有助于提高城市形象，方便人民生活，减 少交通事故，扼制夜间作案，社会效益也非同一般。 1 2 国内外公共照明监控系统的现状和发展 公共照明远程监控系统是一个典型的分布式监督控制和数据采集系统，集计 算机技术、现代通信技术和自动控制技术于一体的高科技系统，利用计算机借助 一定的通信通道，可以对全市路灯、景观灯等公共照明的箱式变电站、变电柜、 控制柜等从站测控系统，集中实现监测和控制。 在国外，已经普遍利用计算机控制道路照明，如新加坡、法国、德国和瑞士 等国，通过电脑来制定一个自动化程序，使公共照明的启闭与同出、日落密切配 合，节省能源。 而我国的公共监控系统的发展还处于发展阶段，多数城市公共照明设施的 开、关控制由每台变压器( 配电箱) 分散控制，统一性差、故障率高。由于没有远 程数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，所以运行、操作结果不能集中监测、 记录和统计。而管理部门多数采用“人工巡视”的形式，设备的运行状况主要靠 白天巡线、夜间巡灯来获得，不仅耗费大量的人力和物力，而且实时性很差，处 理故障的效率非常低，很难满足现在高亮灯率的要求。同时由于不具备电力抄表、 电缆防盗等功能，对公共照明设施的耗电量、电缆被盗等情况无法及时掌握心1 。 随着城市建设的不断发展，对公共照明系统从数量到质量上的要求都在提 高，常规的监控方式既耗费大量的人力、物力又不能达到准确和全面，已落后于 城市发展的需要。采用先进技术提高公共照明自动化控制与管理水平，已成为城 市公共照明系统建设的当务之急。 1 3 本人的主要工作 参与了整个远程监控系统总体方案的设计，并负责整个监控设备软硬件的具 2 第一章概述 体实现，制定了监控设备与监控中心的通信机制，同时开发了一套基于g p r s 无 线传输技术的公共照明远程监控设备。 在前期调研的基础上，研究了国内外公共照明监控系统的现状，确定了该套 远程监控系统所要实现的功能和具有的创新点。通过对其它现有产品通讯方式优 点和不足之处的比较，确定了该系统采用g p r s 无线传输技术，并研究了g p r s 无线通讯技术的基本原理、技术优势等方面的内容。 具体设计并实现了分站点测控及通讯系统( 下位机) 。其中，鉴于远程测控系 统对经济性、可靠性、可操作性和可维护性等方面的要求，以及公共照明远程测 控系统自身的特点，本课题中选用t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机作为下位机的 主控制器，用s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 模块作为g p r s 通讯模块。该下位机系统具 有信号测量、完成控制命令、执行键盘操作、液晶显示及g p r s 通讯等功能。对 远程监控设备的测控、现场操作及通讯等功能进行了实际的调试，解决了调试过 程中出现的各种问题，最终使得下位机系统能够正常、稳定、准确、可靠地运行。 根据远程测控系统的工作原理和具有的功能，并遵循远程测控系统的设计原 则，设计出了一个基于g p r s 无线通讯技术的城市公共照明远程监控设备，并在 本文中给出了该系统具体的设计和实现方案。同时该产品已经成功推向市场。另 外，本文中还对对监控中心的硬件构成、操作系统的选择、应用软件的开发和要 实现的具体功能进行了研究。最后总结了本课题的工作情况和课题现有工作所取 得的成果，并指出了下一步工作的重点和方向。 第二章公共照i p j 远程临控设备的总体设计方案 第二章公共照明远程监控设备的总体设计方案 2 1 公共照明远程监控系统总体设计方案 2 1 1 系统设计所遵循的原则 ( 1 ) 经济性要求：由于测控系统是为实际工程需要所设计的，所以必须考 虑经济性指标。为了获得较高的性价比，设计时不应该盲目追求复杂高级的方案， 在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，从而节省工程的实际开支。 ( 2 ) 可靠性要求：可靠性是监控系统的重要指标，也是设备技术水平的主 要体现，系统及监控终端在设计上增加了各种防范措施和纠错方案，具有良好的 电磁兼容性和异常情况下的后备处理能力，确保系统和设备能经受高低温、电磁 干扰、冲击耐压、静电辐射、振动等恶劣环境的考验，确保开关灯正常操作。 ( 3 ) 操作和维护要求：测控系统必须具备很强的可操作性，应该使工作人 员能够简单方便的进行现场操作和中心监控操作。从维护要求上说，系统必须具 备一定的故障诊断能力。 ( 4 ) 实时性要求：系统以无线通信网络为传输信道，各监控终端时刻保持 在线，确保监控中心命令能够迅速及时下达执行，监控终端的数据、状态及各种 异常报警信息能够立即传送至监控中心，为管理人员迅速反应提供技术保障。 2 1 2 系统的功能设计需求 在监控中心实现对各分控点监控设备的遥控、遥测和遥信功能，实时监控各 监控设备状态和运行参数，接收故障告警信息，并通过监控设备下达测控命令1 。 具体内容如下： ( 1 ) 遥控 a ) 接收监控中心根据开关灯时间曲线或程序设定的开关灯时问，自动发出 群控开关命令； b ) 接收操作员在监控中心发出的开关灯操作，实现群控开、关灯，部分群 控丌、关灯； c ) 各监控设备根据预先设定的时间独立定时开、关灯； d ) 接收监控中心向各设备下发时钟校准命令，各设备按校正后的时间自动 开、关灯； 4 第一二章公共照明远程监控设备的总体设计方案 e ) 在现场用户可通过人机操作界面手动对设备的参数进行设置。 ( 2 ) 遥测 a ) 各配电控制柜进线电压； b ) 各回路三相电流； c ) 电能计量： d ) 现场设备环境温度； e ) 每路灯具的开关状态； f ) 电力载波通信设备运行状况； g ) 现场电缆运行状况。 ( 3 ) 遥信 由各设备向监控中心上报工作状态和故障信息，遇故障时可主动报警。 a ) 停电告警信息； b ) 接触器故障告警信息； c ) 错误亮灯告警信息； d ) 电流、电压超上、下限告警信息； e ) 环境温度及变压器温度告警信息； f ) 电缆被盗告警信息。 此外，监控系统终端还要有现场自动设定功能。通过键盘、液晶显示器，可 以现场中文显示，便于现场的安装调试和维护、维修，并可控制该点的全夜灯、 半夜灯、景观灯等，其显示的内容如下： ( 1 ) 时间( 年、月、日、时、分、秒) ； ( 2 ) 开、关灯的最后时限； ( 3 ) 采集的交流电流和电压值； ( 4 ) 输入的开关量状态； ( 5 ) 输出的开关量状态； ( 6 ) 可通过在线编程修改设置工作参数。 2 1 3 系统的总体设计方案 城市公共照明远程监控系统是一个典型分散式测控、集中式管理的系统，可 对城市内的所有公共照明设施进行监视、控制和管理。城市公共照明远程监控系 5 第一乖0 菸艇叫t 程2 m 牲设薪的0 休鞋计方窠 统主要由四部分构成：一是直接用于控制城市公茫照明设施的监控设备；一是用 丁电缆防盗的的电缆智能防盗系统二是用于远程无线通信处理任务的g p r s 接 口模块：四是位于管理处的监控中心，实现对整个城市公共照明网的远程监控、 管理等功能。系统整体如f 图所示。 剐2 13 1 系统总体繁构图 22 现有通讯方式的比较和选择 我国的蹄灯监控系统的发展还处于发展阶段多数城市路灯景观灯的开、关 灯控制由每台变压器( 配电箱) 分散控制，统一性筹、故障率高。由十没有远程 数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，所以运行、操作结果不能集1 监测、 记录和统计。而路灯管理部门多数采用“人工巡视”的形式，设备的运行状况主 要靠自天巡线、夜间巡灯米获得，不仅耗费大量的人力和物力，而且实时性很差， 处理故障的效率非常低，很难满足现在高亮灯率的要求。 为了克服这一缺点，我国从上个世纪九十年代开始将监控技术应用于城市道 路照明领域。经过十几年的发展，国内已有多种路灯远程监控系统软件投入使用， 第二章公共照明远程航控设薪的总体设计方案 使得国内几十个城市的路灯管理走向科技化，真j 下实现路灯景观灯的“四遥 控 制。表2 2 2 1 是国内应用最多的几种路灯监控系统软件的对比统计。 表2 2 2 1 路灯计算机监控系统软件资料统计表( 部分) 开发单位软件名称运行平台应h j 的城市通信介质 丹东三安 s a 路灯监控w i n d o w s 泰安、青岛、昆明、无线数传电台 技术有限管理系统厦门、石狮、镇江、 发展公司太原、包头、威海、 海口等多个城市 泰安地天l d w s c 城市路 w i n d o w s 银川、呼和沽特、兰可无线数传电 泰新技术灯智能监控州、临沂、枣庄等多台、屯话线拨号 开发有限系统个城市上网通讯、有线 发展公司载波通讯等方式 信息产业 win d o w s 2 0 0 0 天津、重庆、南宁、可采用专网、 部电子第南昌、长沙、石家庄、c d p d 等公网 五十研究 或w in d o w s x p 常州、苏州、。j 。波、 所中山、珠海、等数十 个城市 虽然各种通信技术已经很成熟，系统也已经应用到多个城市的路灯管理中， 但由于各通信技术的特性，在运行过程中存在着很多问题。比如采用无线电台通 信方案，虽然无需运营费用，站点扩展也比较方便，但是覆盖范围比较小，需要 建造发射塔，投资成本高，不仅实时性不好，且可靠性不高【4 j 。下面我们以列表 的形式从实际应用中非常关心的几个方面来将g p r s 通讯技术与其他的有线和 无线的通讯技术进行一下比较，表2 2 2 2 为g p r s 通讯方式与有线数据通讯的 比较，表2 2 2 3 为g p r s 通讯方式与其他无线数据通讯的比较。 表2 2 2 2g p r s 与有线数据通讯的比较 g p r s 有线拨号方式 有线专线方式 比较内容 覆盖范同全国全国区域 建设费用 一般 较低较高 施i ：难度 较低一般较高 施1 ：周期较短一般较长 计费方式 流量、无月租时间加次数租赁 7 第一二帝公共照i j j 远程 临挖 砹器的总体设计方案 运行费用较低较高较高 通信速率较高一般较高 可靠性较高一般较高 实时性较高极低较高 维护成本极低一般较高 分散、实时数据传 应用场合对实时无要求场合较大数据实时传输 输 表2 2 2 3g p r s 与无线数据通讯的比较 淤 g p r s短消息无线数传电台 比较内容 覆盖范围全国全国不大于2 0 k m 建设费用一般低高 施工难度较低低高 施上周期较短较短一般 计费方式流量、无月租0 1 元条占频费 运行费用 较低 较高 一般 通信速率 2 0 k b p s1 2 k b p s 可靠性较高一般一般 传输时延 短 不确定 短 维护成本 低 低高 通过以上客观分析可以看出，无论从建设周期、建设费用和运行费用，还是 系统的可靠性、稳定性和技术的先进性等用户比较关心的角度而一言，g p r s 技 术在远程的分散数据采集应用领域具有很大的优越性。g p r s 无线通讯方式具有 覆盖范围大、实时性好、免网络维护、传输速率快、数据量大、按流量计费和可 以接入i n t e m e t 等优点，因此，在分布范围较广，数据采集点多，实时性要求较 高的场合，g p r s 通讯技术比较合适，同时它也符合远程测控领域的发展趋势， 那就是测控网络和信息网络的融合。 8 第一二章公共照明远程黼控设祭的总体设计方案 2 3 本章小结 在本章中，首先确定了本系统的设计原则，对公共照明远程测控系统进行了 具体的需求分析和要实现的功能，完成了系统的整体设计；然后通过对国内现有 产品通讯方式的比较分析，证明g p r s 无线通讯技术非常适合运用在远程测控系 统中。 9 第三章公共照明远程舱控设备的硬件设计 第三章公共照明远程监控设备的硬件设计 3 1 设备硬件总体构成 监控设备主要包括：强电主回路、开关电源、人机接口、通信模块、数据采 集单元、开关量控制等部分。强电主回路指终端电控柜体内的电气控制电路，由 熔断器、主接触器、自动空气断路器、保护控制电路等组成，用于实现照明的开 关灯控制和故障保护等功能。电源电路包括模拟电路电源及数字电路电源，两部 分电路互相隔离以避免干扰。人机接口功能较简单，用于手动控制开关、查询现 场状态，显示有关检测模拟量的数值等。通信模块实现设备的联网功能。除此之 外，监控设备还预留了相应的丌光量和r s 4 8 5 通讯接口，以完成节电、电力抄表 等辅助功能。按照监控设备的功能实现情况，以模块化的形式设计本系统监控设 备的硬件电路。它主要包括9 个模块：g p r s 通讯模块、电参量采集模块、时钟 模块、温度采集模块、人机接口模块、开关量控制模块、开关量检测模块、电缆 防盗模块，其中远程抄表属于扩展模块。设备内部核心控制电路示意图如图3 1 1 所示： 3 2 微处理器的选择 图3 1 1 设备硬件结构框图 测控系统中一般采用单片机或工业控制计算机来实现高速信息处理、数字化 控制及网络通讯等功能。由于工业控制计算机启停时问长，系统的可靠性不如采 用专用芯片实现的单片机系统，因此在可靠性要求很高的场合，多采用单片机作 1 0 第三章公共照明远程监控设备的硬件设计 为测控系统的主控制器。同时，在测控系统中，作为主控制器的单片机对测控系 统的品质指标提高具有举足轻重的作用，因此选择性能优良的单片机是提高控制 系统性能指标的关键。对它的主要要求是有较大容量的存储器、高速的运算速度、 丰富的集成外围模块、足够的i o 口以及较好的适用环境的能力等等。t i 公司的 m s p 4 3 0 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件， 它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。由于我们所需的硬件乘法器和 a d 转换模块都是片内集成，使得设计简单，布线方便，能提高其可靠性，而且 在稳定性和抗干扰能力上都有极大提高。这样，经过软件的精心设计可以完成全 部功能，实现精确的、始终一致的选择性匹配保护，使配电系统的可靠性大大提 剐5 1 。 ( 1 ) 低电压、超低功耗：m s p 4 3 0 系列单片机，在1 8 3 6 电压、1 m h z 的 时钟条件下运行，耗电电流( 在o 1 4 0 0 9 a 之间) 因不同的工作模式而不同；具 有1 6 个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将c p u 唤醒只 要6 9 s ，可编制处实时性特别高的源代码；可将c p u 置于省电模式，以用中断 方式唤醒程序。 ( 2 ) 强大的处理能力：m s p 4 3 0 系列单片机，为1 6 位r i s c 结构，具有丰 富的寻址方式( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指 令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算； 还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期 为1 2 5 9 s 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 ( 3 ) 系统工作稳定：上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，以保证程 序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件 可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用 作c p u 时钟m c l k 时发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作；如 果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 ( 4 ) 丰富的片内外设：m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片 内外设。他们分别是表3 21 中列出的外围模块的不同组合： 第三章公共照i 刿远程舱控设备的石史件设计 表3 2 1m s p 4 3 0 外围模块 看fj 狗( w d t )定时器a ( t i m e ra ) 定时器b ( t i m e r b ) 比较器串口0 、1 ( u s a r t 0 、1 )硬件乘法器 液晶驱动器 1 0 位1 2 位a d c 1 4 位a d c ( a d c l 4 ) 端口0 ( p 0 )端口1 6 ( p 1 p 6 )基本定时器( b a s i ct i m e r ) ( 5 ) 方便高效的开发环境：目前m s p 4 3 0 系列有4 种类型器件：o p t 型、 f l a s h 型、e p r o m 型和r o m 型。这些器件的开发手段不同。对于f l a s h 型 有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有j t a g 调试接口，还有可电擦写的 f l a s h 存储器，因此采用先下载程序到f l a s h 内，再在器件内通过软件控制程 序的运行，由j t a g 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种 方式只需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语 言有汇编语言和c 语言。 ( 6 ) 工业级的产品：m s p 4 3 0 系列均为工业级的，运行环境温度位一4 0 + 8 5 摄氏度。 经过一系列比较，最终确定选择m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，因为片上有集成1 2 位a d 转化 器a d c l 2 ，1 个硬件乘法器，6 0 k b + 2 5 6 字节f l a s h ，2 k br a m ，1 6 位定时器 t i m e ra 3 和1 6 位定时器t i m e rb 7 。 3 3 电源模块的设计 在本系统中需要用到几种不同的电压值，分别是1 2 v ，5 v ，3 3 v 的直流电。 在分站点所在的现场坏境中，供电线路上可以提供2 2 0 v 的交流电，在现场配置 了一个开关电源模块，将现场的2 2 0 v 交流电压转变为1 2 v 的直流电压供监控终 端使用，可以直接供电，也可以作为其他电源的来源。这样以来，其他的电源也 都可以通过变换1 2 v 的直流电来产生，而且驱动能力也完全可以得到保证。下 面就分别介绍各种电源的产生及其用法。 3 3 11 2 v 电源 1 2 v 电源除了用作系统总电源外，还直接用于中间继电器和光照度模块供电。 由于监控终端是通过中间继电器控制接触器，为了防止外部干扰引入系统，所以 对1 2 v 总供电电源采取隔离措施，也就是将给中间继电器供电的1 2 v 电源与系统 1 2 第三章公共照明远程监控设备的硬件设计 隔离开。采用的隔离芯片是b d 5 d c d c 。该芯片是专门针对线路板上分布式电源 系统中需要产生一组与输入电源高隔离的正负电源的应用场合而设计的。该产品 适用于： ( 1 ) 输入电源的电压比较稳定( 电压变化1 0 ) ； ( 2 ) 输入输出之间要求隔离( 隔离电压= 1 0 0 0 v d c ) ； ( 3 ) 对输出电压稳定度和输出纹波噪声要求不高。 由于该芯片属于定电压输入隔离非稳压单输出，所以将隔离以后的1 2 v 电 源，用l 7 8 1 2 c v 进行稳压。l 7 8 1 2 c v 属于常见的l 7 8 0 0 稳压芯片系列，这里就不 过多介绍了。具体原理图见图3 3 1 1 。 图3 3 1 11 2 v 电源电路原理图 3 3 25 v 及3 v 电源 本系统中，5 v 电源主要用于给液晶模块、电参量模块、时钟模块、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通讯模块、7 4 h c 2 4 4 、光电隔离器件等。l m 3 1 7 是美国n a t i o n a l 公司 产品，是集调整管、基准电压、采样和保护电路于一体，构成三端可调正输出集 成稳压器。l m 3 1 7 在稳压精度、纹波抑制比、输出电压温度特性等方面都比7 8 0 0 、 7 9 0 0 系列要好，并且具有过流、过热保护和调整管安全工作区保护功能。l m 31 7 的三个端子为输入端、输出端和调整端，它没有接地( 公共) 端，所以是一种悬 浮式电路结构，基准电压为1 2 5 v 。最大电流3 a ，具有保护功能，电压输出范 围1 2 5 3 7 v t 6 1 。 r h 5 r l 3 3 a a 是一款精密度很高的电源稳压芯片，输出误差在正负o 0 7 5 之 间，可以为单片机提供稳定的电源。这样的设计完全能够满足m s p 4 3 0 等元器件 第三章公共照明远程l l i 跨设备的硬件设计 对电源的要求。 3 i ，2 -一 2 0 鲫 3 。 d l = # 褂 z + 1 2 v c c k 1 o r h 5 r l ：3 a a i n 4 1 4 8 厂i i + 一：= c 4 笆 + 一 c 2 “ j 4 可6 户 l6 vl o u f6 v 上 鼍f 图3 3 2 15 v 及3 v 电源电路原理图 3 4 外围测控模块的设计 3 4 1 人机接口模块 为了提高系统的可操作性和可维护性，方便工作人员在现场对监控终端的测 试和维护，在本系统中，设计了这部分人机接口电路。它包括将相关信息输出到 l c d 进行显示的电路，以及利用键盘输入来设定和修改存储在m s p 4 3 0 f 1 4 9 中 的系统运行参数的电路。由于选用了带有f l a s h 存储器的单片机作为主控制器， 可以方便的修改设定在其中的参数，有了这部分电路之后，操作人员就可以利用 键盘和l c d 在现场对路灯工作中的一些参数进行即时设定和修改。监控终端人 机界面示意如图3 4 1 1 所示。 图3 4 1 1 路灯监控终端人机界面示意图 之所以选择l c d 作为显示器件，而不使用l e d ，主要是考虑到它的功耗比 较低，符合本系统的设计原则。另外，考虑到液晶模块将负责实时显示，并实现 人机对话，显示用户的操作过程，如果采用七段字符型显示模块，有些信息将无 1 4 第二三章公共照明远程监控设备的硬件设计 法显示，所以在本系统中选用点阵字符型液晶显示模块来完成相关信息的显示工 作。其中主控制驱动芯片采用r t l 2 8 6 4 c t ，它主要由行驱动器列驱动器及 1 2 8 6 4 全点阵液晶显示器组成可完成图形显示，也可以显示8 x 4 个( 1 6 x 1 6 点阵) 汉字。其主要技术参数和性能： ( 1 ) 电源：v d d ：+ 5 v ；模块内自带1 0 v 负压，用于l c d 的驱动电压； ( 2 ) 显示内容：1 2 8 ( y l j ) x 6 4 ( 行) 点； ( 3 ) 全屏幕点阵； ( 4 ) 七种指令； ( 5 ) 与c p u 接口采用8 位数据总线并行输入输出和8 条控制线； ( 6 ) 占空比1 6 4 ； ( 7 ) 工作温度：1 0 + 5 5 ，存储温度：一2 0 + 6 0 ； 液晶模块电路原理图如图2 4 1 2 所示。该模块电路硬件配置如下： ( 1 ) l c d 的供电电压由+ 5 v 直流电源直接提供。 ( 2 ) + 5 v 电源通过一个变阻器来为l c d 提供驱动电压，通过变阻器可以调 节l c d 的对比度。 ( 3 ) 用一片可编程的并行输入输出接口芯片8 2 5 5 a 作为扩展，负责人机接 口部分的接口使用。m s p 4 3 0 的p 2 0 p 2 7 作为8 2 5 5 a 的数据线；p 1 4 , - - p 1 7 作为 8 2 5 5 a 的控制线。 ( 4 ) 用8 2 5 5 a 的p b 0 - p b 7 接r t l 2 8 6 4 c t 的8 位数据线，作为显示信息的 输入端。 ( 5 ) p a l ，p a 2 接r t l 2 8 6 4 c t 的c s l 与c s 2 ，作为选择左右半屏的输入信 号。 ( 6 ) r t l 2 8 6 4 c t 显示数据显示指令数据线接p a 0 ，读写数据线接p a 3 ，复 位信号接p a 5 。 第三章公共照明远程监控设备的硬件设计 本系统中，液晶显示模块的主要功能是循环显示路灯系统运行中各支路的电 流、电压参数值，以及在用键盘设置参数的同时显示相关的操作信息，为操作人 员的工作提供便利。具体的液晶显示功能将通过软件程序来实现。 另外，8 2 5 5 a 的p c 3 ，p c 4 分别接两个l e d ，作为路灯监控终端运行正常与 故障状态的指示灯。在设计键盘输入功能的时候，考虑到键盘在实际操作中的作 用和参数设置的方式，决定采用四个键来完成键盘操作。利用8 2 5 5 a 的p c 0 p c 3 脚来接收键盘的输入信号，在软件程序中判断按下的是什么键，从而实现相应的 操作，判断键值和执行相关操作等工作是利用监控终端系统的软件来具体实现 的。同时，为了现场调试的方便，路灯监控终端还设置了手动自动控制开关。 本系统中设计的液晶显示和键盘构成了直观和友善的人机界面，为开发和操 作的灵活、方便提供了有利条件。 3 4 2 开关量采集及控制模块 路灯远程系统中的控制命令执行部分相当重要，它的稳定可靠的工作是实现 远程和本地开关灯控制的保证。现场路灯是靠动力柜中的三相交流接触器来控制 开关，由于单片机驱动能力有限和抗干扰性的要求，单片机通过中间继电器来控 制交流接触器的开关【| 7 1 。同时继电器的吸合与断开又会给控制系统带来电磁干 扰，为了提高系统的抗干扰性与体现模块化设计的思想，将开关量采集及控制模 块单独做成一块p c b 板，通过2 5 针并口线与主控板相连，既隔离了干扰源，又 方便了系统的扩展。在开关量采集及控制板上，由于单片机的驱动能力不足，所 以加了一片驱动芯片7 4 h c 2 4 4 ，同时用光耦p 6 2 1 进行隔离，用$ 9 0 1 3 放大后的 信号控制继电器的开断。为了吸收继电器断开瞬问产生的反向电压，用防雷二极 1 6 第三章公共照明远程j l ：f 控设备的硬件设计 管并联在继电器电感线圈两端，这样就能保证内部电路不受损坏。这样设计后的 电路能够准确、可靠和快速的完成开关动作，同时还具有较强的抗干扰能力。具 体电路如图3 4 2 1 和图3 4 2 2 所示。m c u 的p 6 0 p 6 3 四根口线完成对四路继 电器的控制器功能。 3 4 3 电参量采集模块图3 4 2 l 开关量检测电路原理图 在路灯监控系统中，需要检测线路上的电能参数来获取供电的状态，同时也 提供故障的查询选项。在本系统中，主控芯片控