基于STM32F030 和电力载波的电气实验设备电源管理设计*

2015-11-28刘志斌

山西电子技术 2015年1期

刘志斌，龙剑

(湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳 421002)

在高校实验室中，一般有利用电气方面的实验设备进行教学，或提供电气实验设备给学生进行实验操作。在管理电气实验设备时，存在的一些现象，比如需要对每台设备的使用情况都进行记录，个别学员跨机操作等，使得当设备较多时，管理工作量大，难度增加。

对每台电气实验设备嵌入一个电源管理单元模块，由主控设备或称之为主控器发出控制命令，电源管理模块接收并响应。完成对其所在的电气实验设备电气运行状态进行采集，控制该实验设备电源通断，响应学员刷卡请求等功能，从而可以实现对电气实验设备运行状态自动记录，学员刷卡操作。电气实验设备嵌入了电源管理模块，达到减少电气实验实训设备管理的工作量，智能管理的目的。

使用电力载波通信，是因为该技术的最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。电力载波通信即PLC，是英文Power line Communication 的简称。电力载波通信是指利用现有电力线上，将模拟或数字信号通过载波调制方式，进行传输的技术［1］。

1 系统拓扑结构

本文设计的电源管理模块是嵌入到电气实验设备内部的，通过电气实验设备使用的电源线联连到主控器，从而实现异地控制。在有多台电气实验设备时，系统由多个电源管理模块和一个主控器组成的，其组成的拓扑结构如图1 所示。

从图中可以看出，完成电源的管理需要一个或多个电源管理模块，一个主控器。在该结构中，嵌入的电源管理模块一面要通过电源线路与主控器进行联络，接收和执行主控器发过来的命令，一面要对电气实验设备的运行状态进行监测，接收刷卡信息，控制电气实验设备电源的通断。

图1 电气实验设备电源智能管理系统拓扑结构图

主控器发出信息收集命令、允许开放实验设备电源、实行显示各实验设备当前状态、记录使用情况，可以通过通信口与微机联接，实现微机监控操作。

嵌入的电源控制模块使用STM32 系列32 位ARM 微控制器作为控制部件，通过本身自带的A/D 转换器进行模拟通道切换、启动采样、采样数据的保存等，再通过电力载波通信将电源的电压、电流、电源通断等信息传给主控器。

2 系统硬件设计与实现

嵌入的电源控制模块根据其要完成的功能任务，模块电路由电力载波通信模块与接口电路、ARM 微控制器与A/D采集电路、实验设备电源通断驱动电路、拔码开关电路、RFID 读卡模块等几部分组成。主控器硬件电路与之稍有不同，少了通断驱动电路，多了人机界面以及与微机通信的串行接口电路，之后不再对其进行描述。嵌入的电源控制模块其系统的硬件电路如图2 所示。

图2 电源控制模块硬件电路图

2.1 ARM 微控制器与A/D 采集电路

微控制器采用型号为STM32F030 的32 位芯片。它是意法半导体(ST)公司生产的STM32 F0 系列微控制器其中一款，基于48 MHz 的ARM Cortex－M0 处理器内核，内置12位1 Msample/s 模数转换器、1.2 V 内部参考电压电路、通信外设、温度传感器和定时器［2］。其中定时器支持ADC 同步、实时管理和电机控制脉宽调制(PWM)时序功能。一向是以高性能、低价格为最大卖点。

该芯片所带的A/D 转换器的模拟信号通过PA 口(PA0－PA1)输入，经内部通道选择并送入A/D 转换器。由于单片机内部集成了A/D 转换，所以外部电路可以大大简化，前级只须做好缓冲放大，将信号电平控制在0 V～3.3 V 之间即可。

2.2 实验设备电源通断驱动电路

电源控制模块收到主控器发出允许开放设备电源命令之后，等待并成功获得RFID 刷卡信息，回送主控器，主控器经过授权，发送立即开放设备电源命令。电源控制模块输出接通实验设备电源的控制信号给通断驱动电路，驱动交流接触器，给实验设备通电。

实验设备通电过程，驱动信号输出的高电平先送给信号放大三极管，经放大再送给光耦可控硅，使其导通，将市电接通到交流接触器，从而开通实验设备电源。

关闭电源时，驱动信号为低电平，它经三极管后，停止导通光耦，交流接触器失电，断开实验设备电源。

2.3 电力载波通信模块与接口电路［3］

电力载波通信模块采用了型号为BWP11B 的模块电路，该模块使用16 V/5 V 的双电源供电模式，是一款嵌入式电力线调制解调器或电力线MODEM，它所使用的载波中心频率为200 kHz，载波传输波特率在100 bps～600 bps 之间有几个档可设置。信息传输时，采用半双工通信方式。模块采用扩频编码方式，有着较高的抗干扰能力，在电力线路为轻负载条件时，传输距离可大于1 000 m。如需传输更远距离，可使用中继方式。其载波模块接口如图3 所示。

图3 载波模块接口示意图

其中模块引脚1 为V +，是载波功放电源，使用电压范围9 V～18 V。2 脚、3 脚为模块提供工作电源。4 脚为模块使能输入端，为了让模块处于工作状态，该引脚接高电平或者悬空，否则，模块串口处于高阻态。6、7 脚是与微控制器通信的串口收发线。8 脚复位输入。L、N 为电力线接口，与交流线连接时，可以不区分零线与相线，不影响正常通讯。另外，模块中采用三只发光二极管指示模块工作状态。

2.4 设备识别与设备使用人员识别

多个嵌入了电源控制模块的实验设备挂在同一段电力线上时，为让主控集中器能辩识出是哪一个设备，在电源控制模块硬件电路中使用了拔码开关。每台设备的拔码开关处于不同的状态，这就相当于每个设备有了一个自己与众不同的身份ID。主控集中器需要哪一个设备发出命令时，需在请求的数据中要指明设备的识别码，也就是拔码开关的状态，这样虽然所有设备都是可以收到了，但只有识别码相同的设备才会响应。

对于是否授权给当前实验人员操作实验设备，电源控制模块还加入了RFID 读卡模块。使用设备之前，需刷卡操作，电源控制模块获得卡片信息，发送给主控器，主控器经由实验管理人员授权，或卡片信息在允许使用之列，主控器会发出立即通电命令，开通实验设备电源。从而避免无关人员随意使用设备的情况。使用RFID 方式，是因为其具有无线不需接触，无磨损，维护成本低等特点。

3 基于MDK 的ARM 微控制器软件设计与实现

3.1 MDK 开发软件

RealView MDK 开发套件源自德国Keil 公司，是ARM 公司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。RealView MDK 集成了业内最领先的技术，包括μVision3 集成开发环境与RealView 编译器。支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex－M3 核处理器，自动配置启动代码，集成Flash 烧写模块，强大的Simulation 设备模拟，性能分析等功能。因此，由Keil MDK 这个集成开发软件来实现软件的编写与调试。