路燈照明系統中的組群控制器設計與實(shí)現

摘要：論述數字路燈照明系統中組群控制器的功能，給出基于雙微處理器的組群控制器核心電路設計方案與實(shí)現方法，并介紹系統主要軟件結構框圖。

關(guān)鍵詞：數字路燈照明雙微處理器 PIC16F877 PIC16F873

前言

公共照明系統廣泛采用高壓鈉燈（high pressure sodium lamp）或金屬鹵化物燈（metallic halide lamp），傳統照明系統經(jīng)常采用電感鎮流器，照明燈具采用統一開(kāi)關(guān)控制方案。

隨著(zhù)數字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，公共照明數字化和網(wǎng)絡(luò )化已經(jīng)成為一種必然趨勢。節約能源、保證燈具壽命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保證城市夜間出行安全等，已經(jīng)成為對公共照明系統的一項基本要求。本文將介紹基于鎮流器的全數字公共照明系統。該系統在國內首次實(shí)現了遠程單個(gè)路燈節點(diǎn)的任意監控，并重點(diǎn)介紹了系統的核心設備――組群控制器的作用、組成、工作原理是以及主要軟件結構框圖。

1 數字路燈照明系統

圖1給出了數字路燈系統的系統組成原理圖。在該系統中，每個(gè)路燈節點(diǎn)采用全數字化電子鎮流器，可以實(shí)現0%、50%、80%、100%功率輸出，可以隨時(shí)發(fā)送路燈的電流、電壓信息，并具有開(kāi)路、斷路和路燈老化報警功能。每一個(gè)路燈節點(diǎn)內包含一個(gè)電力載波通信（PLC）模塊，利用電力載波模塊實(shí)現路燈節點(diǎn)之間以及路燈節點(diǎn)與組群控制器之間信息通信。組群控制器采用雙CPU結構，負責日常系統的正常運行控制，并可以隨時(shí)響應上位管理計算機發(fā)出的指令。組群控制器與照明管理計算機通過(guò)GSM/GPRS短信方式實(shí)現正常情況下的通信。在組群控制器發(fā)生故障的情況下，照明管理計算機可以通過(guò)GSM/GPRS直接實(shí)現路燈線(xiàn)路的開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現系統安全雙保險。照明管理計算機采用地理信息系統（GIS）技術(shù)，實(shí)現圖形化動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監控管理。

圖2

2 組群控制器工作原是與系統組成

2．2 組群控制器系統組成

圖2給出了一種組群控制器設計方案。它包括CPU模塊、線(xiàn)路狀態(tài)檢測模塊、交流接觸器驅動(dòng)模塊、后備電源模塊、時(shí)鐘模塊、控制策略模塊、電能計量模塊、溫濕度檢測模塊、GSM通信模塊和電力載波通信模塊。CPU模塊采用CPU結構。主微控制器采用高性能、8位、40引腳、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC單片機PIC16F877，負責與GSM通信模塊和電力載波模塊通信，與交流接觸器驅動(dòng)控制，與實(shí)時(shí)時(shí)鐘的讀取和校準以及根據照明控制策略發(fā)送控制指令等功能。從微控制器采用與主微控制器同一系列的高性能8位、28引腳、多路8位A/D、具有4KB Flash的RISC單片機PIC16F873。該控制器負責管理電能計量模塊、后備電源及監控模塊、溫濕度監控模塊和線(xiàn)路狀態(tài)檢測模塊等。

圖3

2.3 雙CPU通信方法與RS-485通信

雖然PIC16F87x系列單片機外圍通信接口豐富，但是，整個(gè)系統通信復雜，接口資源仍然很緊張。主從CPU的可靠通信，是組群控制器可靠工作的關(guān)鍵之一。

根據資源分配，主微控制器PIC16F877與從微控制器PIC16F873采用SPI接口，并以主從方式通信。根據系統端口配置需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3來(lái)模擬硬件SPI口，即軟件SPI接口。PIC16F877的SPI硬件資源分配給E2PROM 24C64使用。PIC16F873的SPI接口工作在從模式下，PIC16F877需要選用一個(gè)普通I/O口（這里是RB4）與PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相連，控制SI通信的發(fā)起與結束，如圖3所示。每次通信都是由PIC16F877發(fā)起，PIC16F873響應。

圖4

電能計量模塊為單獨模塊，能夠測量供電線(xiàn)路的電壓、電流、功率、功率因數等參數，并具有標準的RS-485接口。為此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通過(guò)RS485接口變換，與電能計量模塊JP1相連。這里MAX485芯片作為485總線(xiàn)接口轉換芯片，用RC2作為RS-485總線(xiàn)通信輸入/輸出使能控制端，控制信號的讀入和送出。

2．4 交流接觸器控制與狀態(tài)保持

組群控制器的一項重要任務(wù)是通過(guò)固體繼電器SSR和交流接觸器實(shí)現照明線(xiàn)路供電控制。固體繼電器為DC3～24V輸入，AC220V輸出，其輸入由NPN型三極管9013驅動(dòng)。由于系統實(shí)際運行過(guò)程中存在各種干擾，若則相關(guān)引腳很可能會(huì )出現跳變信號或三態(tài)，造成交流接觸器誤動(dòng)作。因此“鎖定”復位前狀態(tài)，對保證系統可靠性非常重要。這里采用了由1個(gè)D觸發(fā)器、1個(gè)光耦、3個(gè)電阻和3個(gè)I/O引腳組成的采樣/保持電路，如圖4所示。D觸發(fā)器復位端R和置位端S分別接地，數據端D接CPU的數據控制端RE0，時(shí)鐘端CLK通過(guò)光耦TIP521接CPU的時(shí)鐘產(chǎn)生控制端RE1和RE2。保持電路的關(guān)鍵在于RE0、RE1、RE2單個(gè)引腳誤動(dòng)作無(wú)法產(chǎn)生有效時(shí)鐘和控制指令。即使CPU發(fā)生復位，由RC0腳讀回固態(tài)繼電器當前工作狀態(tài)，并將RE0輸出（D觸發(fā)器輸入）置成該狀態(tài)，進(jìn)而保證SSR不產(chǎn)生誤動(dòng)作。電阻R32為上拉電阻，保證RE2出現三態(tài)時(shí)光耦不產(chǎn)生誤導通。電阻R33起限流作用。實(shí)際證明該電路是有效的。

圖5

2．5 時(shí)鐘與控制策略

要實(shí)現自動(dòng)定時(shí)控制，系統時(shí)鐘和系統預存控制策略是關(guān)鍵。組群控制器采用DS1302時(shí)鐘芯片，為系統提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。DS1302是一種帶備份電源的、8腳、具有I2C串行通信功能的高性能、低功耗時(shí)鐘芯片，提供秒、分、時(shí)、日、周、月、年日歷功能。I2C串行總線(xiàn)SCL和SDA分別需要一個(gè)上拉電阻。主微控制器PIC16F877采用硬件I2C接口（RC3/SCL和RC4/SDA）與DS1302通信，如圖5所示。組群控制器可以實(shí)現遠程時(shí)鐘校準。

圖6

組群控制器將每日控制策略時(shí)間表Table1、季節劃分時(shí)間表Table2、季節控制策略時(shí)間表Table3和節假日控制時(shí)間表Table4存儲在E2PROM 24C64中。24C64是容量為8KB、支持兩線(xiàn)的I2C串行通信、1000000次擦寫(xiě)的E2PROM。主微控制器PIC16F877采用2個(gè)普通I/O口（RD1和RD2）模擬I2C串行總線(xiàn)，即實(shí)現軟件I2C總線(xiàn)接口。組群控制器根據讀得的日歷信息和時(shí)間信息，對照各種控制策略時(shí)間表，發(fā)布開(kāi)關(guān)燈及調光控制指令。

2．6 軟件實(shí)現

組群控制器軟件分為主微處理器軟件和從微處理器軟件。主微控制器一方面負責通過(guò)GSM與照明管理計算機（簡(jiǎn)稱(chēng)上位機）通信，接收、解析和執行上位機發(fā)來(lái)的各種命令，并將執行結果發(fā)送給上位機；另一方面，主控制器在沒(méi)有GSM信息的情況下，完成其它一些任務(wù)，軟件流程圖如圖6所示。圖7給出了從微控制器軟件的簡(jiǎn)要流程圖。

結語(yǔ)

城市路燈照明系統是城市街道、高速公路、機場(chǎng)、火車(chē)站、標志性建筑、景觀(guān)性建筑等處的重要系統。建立一個(gè)實(shí)用的、可靠的數字化和網(wǎng)絡(luò )化和路燈照明系統是非常不易的。由于篇幅所限，本文僅給出了組群控制器的關(guān)鍵硬件設計電路和核心軟件框圖，還有許多具體細節沒(méi)有闡述。實(shí)驗表明，該系統設計是合理和可靠的。