基于A(yíng)RM微處理器的隧道照明智能控制器

摘要： 采用ARM7TDMI-S 內核 的微處理器LPC2119設計實(shí)現智能照明控制器，應用在高速公路隧道照明CAN網(wǎng)絡(luò )中。

關(guān)鍵詞： 高速公路隧道照明；智能照明控制器；CAN網(wǎng)絡(luò )； ARM微處理器；LPC2119

引 言

隧道是高速公路的重要組成部分，隧道照明系統是車(chē)輛能夠安全地進(jìn)入、通過(guò)和離開(kāi)隧道區域必不可少的基本保證。目前長(cháng)隧道的照明分為入口段、過(guò)渡段、基本段、出口段，每段的燈具按功能又分為應急燈、全日燈和加強燈三種。應急燈除在停電時(shí)用作應急照明外還兼作全日照明，全日燈24小時(shí)不間斷工作，加強燈根據洞口不同的亮度來(lái)開(kāi)啟。隧道內不同區域的亮度要求各不相同，它們和洞外亮度、交通流量、洞內廢氣的多少、行車(chē)速度、燈具的養護周期等諸多因素有關(guān)，甚至與路面的材料和洞壁的裝修材料有關(guān)。這些燈的控制目前基本上是靠開(kāi)關(guān)照明回路來(lái)進(jìn)行控制的。一般隧道都有七八個(gè)照明控制回路，建設投資大，施工難度高，隧道開(kāi)通后管理者僅能在有限的回路里進(jìn)行控制，很難兼顧到運營(yíng)成本和隧道安全。 我們采用Philips公司(編者注：現更名為NXP公司)的基于A(yíng)RM7 TDMI-S 內核的微控制器LPC2119設計實(shí)現智能照明控制器，應用在高速公路隧道照明CAN網(wǎng)絡(luò )中，較好地解決了隧道照明初期投資、運營(yíng)成本和隧道安全之間的矛盾，收到了很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

隧道照明系統CAN 網(wǎng)絡(luò )的構成

CAN(控制器局域網(wǎng))是當今國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN總線(xiàn)最初是由德國B(niǎo)osch公司為汽車(chē)的檢測、控制系統而設計的。由于CAN總線(xiàn)具有獨特的設計思想、良好的功能特性和極高的可靠性，現場(chǎng)抗干擾能力強，已由國際標準組織ISO制訂了CAN總線(xiàn)的國際標準。

CAN協(xié)議是建立在國際標準組織ISO的開(kāi)放系統互連參考模型OSI基礎上，主要工作在物理層、數據鏈路層和應用層。用戶(hù)可在其基礎上根據實(shí)際需要開(kāi)發(fā)自己的應用層通信協(xié)議。CAN總線(xiàn)信號的傳輸可采用雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，最高通信速率可達1Mbps,數據傳輸在5Kbps 時(shí)，傳輸距離可達到10Km。一個(gè)CAN網(wǎng)段上的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可達110個(gè)，還可通過(guò)CAN網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋延伸網(wǎng)段或和其他各種網(wǎng)絡(luò )互連互通。

CAN總線(xiàn)的這些特點(diǎn)使得其很適宜應用在條件苛刻的高速公路隧道監控系統或照明控制系統中。高速公路隧道照明控制系統CAN網(wǎng)絡(luò )主要由上位機、智能照明控制器、CAN網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋等構成(圖1)。

圖1  隧道照明控制系統CAN網(wǎng)絡(luò )構成

上位機為PC機，內插PC-CAN 接口卡，網(wǎng)絡(luò )拓撲采用總線(xiàn)結構，傳輸介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，為提高系統的抗干擾能力，在傳輸介質(zhì)和智能控制器之間采取了光電隔離。上位機并與隧道車(chē)輛檢測器群和光強檢測儀相連，配以我們開(kāi)發(fā)的相應軟件，對整個(gè)隧道的照明系統進(jìn)行智能控制。

軟件的控制策略如下：在沒(méi)有車(chē)輛進(jìn)入隧道時(shí)，根據光強檢測儀所檢測到的洞內外光強差值，在隧道內只開(kāi)啟相應的基本照明，當車(chē)輛檢測器檢測到車(chē)輛將進(jìn)入隧道時(shí)，開(kāi)啟隧道洞口的加強照明，當車(chē)輛進(jìn)入隧道后，則將車(chē)輛前面一段相應距離的加強照明開(kāi)啟，一旦后面無(wú)車(chē)輛跟進(jìn)，則將汽車(chē)身后的加強照明關(guān)閉。同時(shí)利用光強儀還可判斷晴天、陰天、白天、晚上而開(kāi)啟或關(guān)閉相應的照明?？蓪蝹€(gè)的照明進(jìn)行單控也可對區域照明進(jìn)行群控?？刂撇呗噪S時(shí)可根據實(shí)際情況進(jìn)行修正。這樣節約了大量的電能，有效的降低了運營(yíng)成本。

智能照明控制器硬件設計

圖1是本智能控制器的總體設計框圖，主要由CPU模塊、電源模塊、通信模塊、光強檢測模塊、溫度檢測模塊、電流檢測模塊、開(kāi)關(guān)控制模塊等組成。通信模塊將所有的控制器連接成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò )，便于值班員在監控室對整個(gè)照明系統進(jìn)行遠程控制，光強、溫度、電流檢測則是通過(guò)對這幾個(gè)參數的檢測來(lái)判斷設備的工作情況，開(kāi)關(guān)控制模塊則是通過(guò)光電耦合、大功率可控硅開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制的。

CPU 模塊

本智能控制器的核心采用了Philips公司的LPC2119微處理器，其采用ARM公司  ARM7TDMI-S 內核，基于RISC精簡(jiǎn)指令集的微處理器，具有32位總線(xiàn)寬度，內置16KB的SRAM，128 KB Flash 存儲器。通過(guò)片內PLL對片外晶振的倍頻，可實(shí)現最大為60MHz 的 CPU 操作頻率。同時(shí)通過(guò)片內Boot裝載程序可實(shí)現ISP在系統編程和IAP在應用編程功能。由于LPC2119 較小的64引腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、4 路10位ADC、2路CAN、8路10位ADC、以及多達9 個(gè)外部中斷使它們能很好的滿(mǎn)足系統的設計需要。系統硬件電路如圖2所示。

圖2  智能照明控制器框圖

電源模塊

LPC2119 為雙電源，CPU 操作電壓范圍：1.65~1.95 V(1.8 V