劉志斌，龍 劍

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學院，湖南 衡陽 421002)

在高校實驗室中，一般有利用電氣方面的實驗設備進行教學，或提供電氣實驗設備給學生進行實驗操作。在管理電氣實驗設備時，存在的一些現(xiàn)象，比如需要對每臺設備的使用情況都進行記錄，個別學員跨機操作等，使得當設備較多時，管理工作量大，難度增加。

對每臺電氣實驗設備嵌入一個電源管理單元模塊，由主控設備或稱之為主控器發(fā)出控制命令，電源管理模塊接收并響應。完成對其所在的電氣實驗設備電氣運行狀態(tài)進行采集，控制該實驗設備電源通斷，響應學員刷卡請求等功能，從而可以實現(xiàn)對電氣實驗設備運行狀態(tài)自動記錄，學員刷卡操作。電氣實驗設備嵌入了電源管理模塊，達到減少電氣實驗實訓設備管理的工作量，智能管理的目的。

使用電力載波通信，是因為該技術(shù)的最大特點是不需要重新架設網(wǎng)絡，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞。電力載波通信即PLC，是英文Power line Communication 的簡稱。電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線上，將模擬或數(shù)字信號通過載波調(diào)制方式，進行傳輸?shù)募夹g(shù)［1］。

1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

本文設計的電源管理模塊是嵌入到電氣實驗設備內(nèi)部的，通過電氣實驗設備使用的電源線聯(lián)連到主控器，從而實現(xiàn)異地控制。在有多臺電氣實驗設備時，系統(tǒng)由多個電源管理模塊和一個主控器組成的，其組成的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

從圖中可以看出，完成電源的管理需要一個或多個電源管理模塊，一個主控器。在該結(jié)構(gòu)中，嵌入的電源管理模塊一面要通過電源線路與主控器進行聯(lián)絡，接收和執(zhí)行主控器發(fā)過來的命令，一面要對電氣實驗設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，接收刷卡信息，控制電氣實驗設備電源的通斷。

圖1 電氣實驗設備電源智能管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

主控器發(fā)出信息收集命令、允許開放實驗設備電源、實行顯示各實驗設備當前狀態(tài)、記錄使用情況，可以通過通信口與微機聯(lián)接，實現(xiàn)微機監(jiān)控操作。

嵌入的電源控制模塊使用STM32 系列32 位ARM 微控制器作為控制部件，通過本身自帶的A/D 轉(zhuǎn)換器進行模擬通道切換、啟動采樣、采樣數(shù)據(jù)的保存等，再通過電力載波通信將電源的電壓、電流、電源通斷等信息傳給主控器。

2 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

嵌入的電源控制模塊根據(jù)其要完成的功能任務，模塊電路由電力載波通信模塊與接口電路、ARM 微控制器與A/D采集電路、實驗設備電源通斷驅(qū)動電路、拔碼開關電路、RFID 讀卡模塊等幾部分組成。主控器硬件電路與之稍有不同，少了通斷驅(qū)動電路，多了人機界面以及與微機通信的串行接口電路，之后不再對其進行描述。嵌入的電源控制模塊其系統(tǒng)的硬件電路如圖2 所示。

圖2 電源控制模塊硬件電路圖

2.1 ARM 微控制器與A/D 采集電路

微控制器采用型號為STM32F030 的32 位芯片。它是意法半導體(ST)公司生產(chǎn)的STM32 F0 系列微控制器其中一款，基于48 MHz 的ARM Cortex－M0 處理器內(nèi)核，內(nèi)置12位1 Msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1.2 V 內(nèi)部參考電壓電路、通信外設、溫度傳感器和定時器［2］。其中定時器支持ADC 同步、實時管理和電機控制脈寬調(diào)制(PWM)時序功能。一向是以高性能、低價格為最大賣點。

該芯片所帶的A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬信號通過PA 口(PA0－PA1)輸入，經(jīng)內(nèi)部通道選擇并送入A/D 轉(zhuǎn)換器。由于單片機內(nèi)部集成了A/D 轉(zhuǎn)換，所以外部電路可以大大簡化，前級只須做好緩沖放大，將信號電平控制在0 V～3.3 V 之間即可。

2.2 實驗設備電源通斷驅(qū)動電路

電源控制模塊收到主控器發(fā)出允許開放設備電源命令之后，等待并成功獲得RFID 刷卡信息，回送主控器，主控器經(jīng)過授權(quán)，發(fā)送立即開放設備電源命令。電源控制模塊輸出接通實驗設備電源的控制信號給通斷驅(qū)動電路，驅(qū)動交流接觸器，給實驗設備通電。

實驗設備通電過程，驅(qū)動信號輸出的高電平先送給信號放大三極管，經(jīng)放大再送給光耦可控硅，使其導通，將市電接通到交流接觸器，從而開通實驗設備電源。

關閉電源時，驅(qū)動信號為低電平，它經(jīng)三極管后，停止導通光耦，交流接觸器失電，斷開實驗設備電源。

2.3 電力載波通信模塊與接口電路［3］

電力載波通信模塊采用了型號為BWP11B 的模塊電路，該模塊使用16 V/5 V 的雙電源供電模式，是一款嵌入式電力線調(diào)制解調(diào)器或電力線MODEM，它所使用的載波中心頻率為200 kHz，載波傳輸波特率在100 bps～600 bps 之間有幾個檔可設置。信息傳輸時，采用半雙工通信方式。模塊采用擴頻編碼方式，有著較高的抗干擾能力，在電力線路為輕負載條件時，傳輸距離可大于1 000 m。如需傳輸更遠距離，可使用中繼方式。其載波模塊接口如圖3 所示。

圖3 載波模塊接口示意圖

其中模塊引腳1 為V +，是載波功放電源，使用電壓范圍9 V～18 V。2 腳、3 腳為模塊提供工作電源。4 腳為模塊使能輸入端，為了讓模塊處于工作狀態(tài)，該引腳接高電平或者懸空，否則，模塊串口處于高阻態(tài)。6、7 腳是與微控制器通信的串口收發(fā)線。8 腳復位輸入。L、N 為電力線接口，與交流線連接時，可以不區(qū)分零線與相線，不影響正常通訊。另外，模塊中采用三只發(fā)光二極管指示模塊工作狀態(tài)。

2.4 設備識別與設備使用人員識別

多個嵌入了電源控制模塊的實驗設備掛在同一段電力線上時，為讓主控集中器能辯識出是哪一個設備，在電源控制模塊硬件電路中使用了拔碼開關。每臺設備的拔碼開關處于不同的狀態(tài)，這就相當于每個設備有了一個自己與眾不同的身份ID。主控集中器需要哪一個設備發(fā)出命令時，需在請求的數(shù)據(jù)中要指明設備的識別碼，也就是拔碼開關的狀態(tài)，這樣雖然所有設備都是可以收到了，但只有識別碼相同的設備才會響應。

對于是否授權(quán)給當前實驗人員操作實驗設備，電源控制模塊還加入了RFID 讀卡模塊。使用設備之前，需刷卡操作，電源控制模塊獲得卡片信息，發(fā)送給主控器，主控器經(jīng)由實驗管理人員授權(quán)，或卡片信息在允許使用之列，主控器會發(fā)出立即通電命令，開通實驗設備電源。從而避免無關人員隨意使用設備的情況。使用RFID 方式，是因為其具有無線不需接觸，無磨損，維護成本低等特點。

3 基于MDK 的ARM 微控制器軟件設計與實現(xiàn)

3.1 MDK 開發(fā)軟件

RealView MDK 開發(fā)套件源自德國Keil 公司，是ARM 公司目前最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。RealView MDK 集成了業(yè)內(nèi)最領先的技術(shù)，包括μVision3 集成開發(fā)環(huán)境與RealView 編譯器。支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex－M3 核處理器，自動配置啟動代碼，集成Flash 燒寫模塊，強大的Simulation 設備模擬，性能分析等功能。因此，由Keil MDK 這個集成開發(fā)軟件來實現(xiàn)軟件的編寫與調(diào)試。

3.2 軟件設計

意法半導體(ST)公司對其STM32F030 芯片的有著豐富的編程支持，其豐富的產(chǎn)品線、功能強大的軟件庫加之長年積累下來的種類龐大的各種應用參考設計，這在使用STM32產(chǎn)品進行編程設計時，節(jié)約了大量的時間。

電源控制模塊的軟件功能主要由開機自檢、RFID 讀卡模塊驅(qū)動、電力載波通信模塊驅(qū)動、設備電源通斷控制、主控器命令解析與響應、電源運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集幾個方面構(gòu)成。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于實現(xiàn)的特點。由于用了電力載波通信，無需新增通信線路，便可實現(xiàn)對電氣實驗設備的電源智能管理，達到了減少實驗管理人員工作量，降低了工作難度的目的。

［1］房曙光，王平.電力載波通信控制終端設計［J］.今日電子，2006(3):75－78.

［2］李鵬.簡化家電和工業(yè)控制應用開發(fā)任務 意法半導體(ST)發(fā)布STM32F0 系列［J］.家電科技，2012(6):12.

［3］劉志斌，龍劍，鄧經(jīng)緯.基于BWP11B 電力載波通信模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計［J］.機電技術(shù)，2013(6):41－44.