一种基于LM3S9B96通用配电控制器的设计实现

张宏强，吴婉兰，施永柱，刘 丽

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

一种基于LM3S9B96通用配电控制器的设计实现

张宏强，吴婉兰，施永柱，刘 丽

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

介绍了一种基于Conterx-M3的ARM芯片LM3S9B96的通用配电控制器的解决方案。采用构建的智能控制平台，对配电系统进行实时监控，并通过以太网和RS422接口实现终端对配电系统的远程监测，对负载异常情况进行智能化处理，同时兼具遥控与本控模式，使得配电系统的可靠性、维修性大幅提高。

通用配电控制器；LM3S9B96；以太网

0 引 言

随着现代军事装备对远端设备无人值守、智能化、集成化以及通用化等功能要求的不断提高，军事装备的重要组成部分——配电控制系统的设计面临着数字化、智能化、网络化以及高可靠性等方面的新要求。基于Contrex-M3 ARM架构的新型嵌入式控制器LM3S9B96具备外围接口丰富、内部集成以太网MAC和PHY控制接口、应用程序开发快速简单等优点，使得基于LM3S9B96嵌入式控制器构建的通用配电控制器完全能够满足上述配电控制系统的新要求。本配电控制器在配电现场对配电系统进行实时监测和控制，同时通过以太网、RS232、RS422实现终端对配电系统的远程实时监测，具有模块化、通用化、性价比高等优点，同时能够容易满足军事装备在环境适应性、可靠性等方面的特殊要求。

1 系统组成及要求

1.1 系统功能

本通用配电控制器主要由电源模块、CPU模块、数字量输入模块、数字量输出模块、三相交流专用模块、单相交流专用模块以及专用显示模块等组成。各个模块功能如下：

(1) 电源模块主要用于给其他模块提供DC 24V；

(2) CPU模块主要用于接收各个输入模块的信息，同时发送相应的控制信号到各个输出模块，此外还负责由本模块上的DC/DC芯片提供DC 5V给其他模块；

(3) 数字量输入模块主要用于采集各个开关、按钮以及传感器等开关量信号；

(4) 数字量输出模块主要用于输出继电器信号，用于控制接触器、指示灯等；

(5) 显示模块主要是完成对通用配电控制器所监测到的信号进行显示与控制；

(6) 接口模块主要用于配电控制器通过特殊接口(如CAN-Bus等)与设备终端等系统进行通讯；

(7) 电压测量模块主要用于检测2路三相交流电，1路单相交流电的电压。

1.2 接口要求

(1) 以太网接口：与终端通过UDP协议进行通讯；

(2) RS232：具备Modbus-RTU协议，主要与专用显示模块进行通讯；

(3) RS422：与设备终端按照自定义通讯协议进行通讯；

(4) CAN-Bus：CPU模块与其他模块通过CAN-Bus进行通讯。

2 系统控制原理

配电控制系统采用本通用配电控制器加接触器的模式向各路负载提供50Hz 380V和50Hz 220V的供电电源，并对相应负载的电源电压及工作状态等信息进行实时监测、显示，具有实时报警、详细记录等功能。同时，本配电控制系统可以遥控相应负载的启动和停止；可以在远程终端上查询各路负载的相关信息，尽早发现和消除隐患，实时发现故障；也可以在显示模块上给调试维修人员提供负载相关信息，方便测试，处理故障，进一步提高了系统的可靠性。

基于通用配电控制器的配电系统框图如图1所示。

3 硬件设计与选型

通用配电控制器的总体框图如图2所示。

图1 配电系统框图

图2 通用配电控制器框图

(1) CPU模块

该模块是本通用控制器的核心模块，基于Contrex-M3架构的LM3S9B96控制器,带RS232接口、RS422、以太网接口、SD卡、EEPROM、CAN-Bus接口等[1]。其硬件框图如图3所示。

(2) 数字量输入模块

该模块基于AT89S52，通过74LS165结合光电隔离器扩展为16路DI，24 VDC,1ms滤波,支持漏式/源式接线方式。其硬件框图如图4所示。

(3) 数字量输出模块

该模块基于AT89S52 MCU，通过74LS164+光电隔离器+继电器，扩展为16路继电器输出,240VAC/24VDC,2.5 A。其硬件框图如图5所示。

图3 CPU模块硬件框图

图4 数字量输入模块硬件框图

图5 数字量输出模块硬件框图

(4) 显示模块

该模块基于AT89S52，用LED数码管显示，有四个微动开关，用来调节和显示。其硬件框图如图6所示。

图6 显示模块硬件框图

(5) 电压测量模块

该模块用来测量三相/单相交流电压。它是把配电系统各线路的输入输出电压经相应的传感器、AD采样转换后得到具体的电压值，经电压检测模块进行相关处理，发送给CPU模块，使配电系统能监测负载电压运行情况，及时发现过载、欠压等异常情况，保护负载。因此，采样的精度和线性度对配电系统的性能有着至关重要的影响。本系统所用的电压传感器采用的是24V双电源供电，0～10V电压型标准模拟量信号输出。其硬件框图如图7所示。

以上模块都具有-40℃～70℃ 操作温度的宽温指标,三防加固,集成防松接线端子。

图7 电压测量模块硬件框图

图8 软件设计框图

4 软件设计

针对本配电控制系统的控制原理及要求，设计了由不同功能的程序模块组成的程序，如图8所示。

(1) CPU模块软件设计 主要包括主控制程序、与终端接口通讯程序、与显示模块通讯程序和与其他模块的CAN接口通讯程序。

(2) 显示模块软件设计 包括主控制程序、按键检测程序、显示程序和RS232接口通讯程序。

(3) 数字量输入模块软件设计 包括开关量输入检测程序、CAN接口通讯程序。

(4) 数字量输出模块软件设计 包括开关量输出控制程序、CAN接口通讯程序。

(5) 电压测量模块软件设计 包括电压测量程序、CAN接口通讯程序。

5 显示界面设计

配电柜面板上设置了显示模块，完成整体配电系统的实时监测和控制，其大致外观如图9所示。

图9 显示界面

6 结束语

本文采用以基于LM3S9B96控制器的通用配电控制器为控制核心、接触器作为辅助的配电柜设计，使用按钮开关操作，这样减少了大量大功率机械开关的使用，操作方便，安全可靠；同时，通过专用显示模块监控配电控制系统的实时运行状况，提高了系统的智能化、数字化以及网络化，有利于整个系统的升级与维护。

[1] Stellaris® LM3S9B96微控制器中文数据手册[M].北京锐鑫同创科技有限公司,2001.

[2] 张培仁.基于C语言编程的MCS-51单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2003.

[3] 沙占友，孟志永，王彦鹏.单片机外围电路设计[M].北京：电子工业出版社，2006.

Design and implementation of a universal distribution controller based on LM3S9B96

ZHANG Hong-qiang, WU Wan-lan, SHI Yong-zhu, LIU Li

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The solution of a universal distribution controller based on the LM3S9B96 of the Conterx-M3 ARM chip is introduced. The intelligent control platform is built to monitor the distribution system in real-time. With RC/LC modes, the terminal can monitor the distribution system remotely and process the abnormal load intelligently via the Ethernet and the RS422 interface, which remarkably improve the reliability and maintainability of the system.

universal distribution controller; LM3S9B96; Ethernet

2014-06-05；

2014-07-04

张宏强(1984-)，男，工程师，硕士，研究方向：伺服控制与嵌入式系统；吴婉兰(1979-)，女，工程师，硕士，研究方向：伺服控制与嵌入式系统；施永柱(1987-)，男，助理工程师，硕士，研究方向：嵌入式系统；刘丽(1988-)，女，助理工程师，硕士，研究方向：嵌入式系统。

TN820.3

A

1009-0401(2014)03-0048-04