基于ARM微处理器的隧道照明智能控制器

摘要： 采用ARM7TDMI-S 内核 的微处理器LPC2119设计实现智能照明控制器，应用在高速公路隧道照明CAN网络中。
关键词： 高速公路隧道照明；智能照明控制器；CAN网络； ARM微处理器；LPC2119

引 言

    隧道是高速公路的重要组成部分，隧道照明系统是车辆能够安全地进入、通过和离开隧道区域必不可少的基本保证。目前长隧道的照明分为入口段、过渡段、基本段、出口段，每段的灯具按功能又分为应急灯、全日灯和加强灯三种。应急灯除在停电时用作应急照明外还兼作全日照明，全日灯24小时不间断工作，加强灯根据洞口不同的亮度来开启。隧道内不同区域的亮度要求各不相同，它们和洞外亮度、交通流量、洞内废气的多少、行车速度、灯具的养护周期等诸多因素有关，甚至与路面的材料和洞壁的装修材料有关。这些灯的控制目前基本上是靠开关照明回路来进行控制的。一般隧道都有七八个照明控制回路，建设投资大，施工难度高，隧道开通后管理者仅能在有限的回路里进行控制，很难兼顾到运营成本和隧道安全。 我们采用Philips公司(编者注：现更名为NXP公司)的基于ARM7 TDMI-S 内核的微控制器LPC2119设计实现智能照明控制器，应用在高速公路隧道照明CAN网络中，较好地解决了隧道照明初期投资、运营成本和隧道安全之间的矛盾，收到了很好的经济效益和社会效益。

隧道照明系统CAN 网络的构成

    CAN(控制器局域网)是当今国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线最初是由德国Bosch公司为汽车的检测、控制系统而设计的。由于CAN总线具有独特的设计思想、良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强，已由国际标准组织ISO制订了CAN总线的国际标准。

    CAN协议是建立在国际标准组织ISO的开放系统互连参考模型OSI基础上，主要工作在物理层、数据链路层和应用层。用户可在其基础上根据实际需要开发自己的应用层通信协议。CAN总线信号的传输可采用双绞线、同轴电缆或光纤，最高通信速率可达1Mbps,数据传输在5Kbps 时，传输距离可达到10Km。一个CAN网段上的网络节点可达110个，还可通过CAN网关/网桥延伸网段或和其他各种网络互连互通。

    CAN总线的这些特点使得其很适宜应用在条件苛刻的高速公路隧道监控系统或照明控制系统中。高速公路隧道照明控制系统CAN网络主要由上位机、智能照明控制器、CAN网关/网桥等构成(图1)。

图1  隧道照明控制系统CAN网络构成

    上位机为PC机，内插PC-CAN 接口卡，网络拓扑采用总线结构，传输介质采用双绞线，为提高系统的抗干扰能力，在传输介质和智能控制器之间采取了光电隔离。上位机并与隧道车辆检测器群和光强检测仪相连，配以我们开发的相应软件，对整个隧道的照明系统进行智能控制。

    软件的控制策略如下：在没有车辆进入隧道时，根据光强检测仪所检测到的洞内外光强差值，在隧道内只开启相应的基本照明，当车辆检测器检测到车辆将进入隧道时，开启隧道洞口的加强照明，当车辆进入隧道后，则将车辆前面一段相应距离的加强照明开启，一旦后面无车辆跟进，则将汽车身后的加强照明关闭。同时利用光强仪还可判断晴天、阴天、白天、晚上而开启或关闭相应的照明。可对单个的照明进行单控也可对区域照明进行群控。控制策略随时可根据实际情况进行修正。这样节约了大量的电能，有效的降低了运营成本。

智能照明控制器硬件设计

    图1是本智能控制器的总体设计框图，主要由CPU模块、电源模块、通信模块、光强检测模块、温度检测模块、电流检测模块、开关控制模块等组成。通信模块将所有的控制器连接成一个完整的网络，便于值班员在监控室对整个照明系统进行远程控制，光强、温度、电流检测则是通过对这几个参数的检测来判断设备的工作情况，开关控制模块则是通过光电耦合、大功率可控硅开关进行控制的。

CPU 模块

    本智能控制器的核心采用了Philips公司的LPC2119微处理器，其采用ARM公司  ARM7TDMI-S 内核，基于RISC精简指令集的微处理器，具有32位总线宽度，内置16KB的SRAM，128 KB Flash 存储器。通过片内PLL对片外晶振的倍频，可实现最大为60MHz 的 CPU 操作频率。同时通过片内Boot装载程序可实现ISP在系统编程和IAP在应用编程功能。由于LPC2119 较小的64引脚封装、极低的功耗、多个32 位定时器、4 路10位ADC、2路CAN、8路10位ADC、以及多达9 个外部中断使它们能很好的满足系统的设计需要。系统硬件电路如图2所示。

图2  智能照明控制器框图

电源模块

    LPC2119 为双电源，CPU 操作电压范围：1.65~1.95 V(1.8 V± 0.15 V)，I/O 操作电压范围：3.0~3.6 V(3.3 V± 10%)，可承受5V 电压，而温度传感器和光电传感器及光耦隔离器均需5V直流电源驱动，故在设计电源模块时必须提供5V、3.3V和1.8V的直流电源。在电源电路里加入了整流桥和稳压模块，并采用电源隔离器B0505S将输入和输出电源相隔离，以屏蔽电源噪声的影响。

通信模块

    高速公路中长隧道一般都在1至2公里左右，特长隧道甚至达到十几公里。隧道灯的数量也从数百盏至数千盏不等。加上隧道内环境条件恶劣，而RS-485通信存在抗干扰能力差，误码率高，无纠错重发机制，通信距离短，不方便扩展等缺点，因此这里采用RS485通信网络并不合适。LPC2119内部集成了2个CAN控制器，这给我们采用CAN网络提供了便利。CAN通信速率高、开放性好、通信距离长，且具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点，与其它通信总线相比，CAN总线数据通信具有突出的高可靠性、实时性和灵活性。我们通过CAN总线还可以把通风机、车行横洞卷帘门等相关设备的控制集成在一起。

光强、温度、电流检测模块

    LPC2119 内部集成了四路10位A/D转换器，这就给光强、温度、电流检测提供了极大的便利。光强检测是通过光敏三极管来检测环境亮度参数提供给主程序进行自动控制，也可通过此参数判断光源的好坏。温度参数提供设备本身和周边环境温度，以求设备安全可靠的工作。电流参数则是对光源的工作状态进行不断的监测，交流信号经过互感器、信号调理后直接送入LPC2119内部集成的A/D转换器进行电流参数的采集和变换。

开关控制模块

    LPC2119提供了多达46个通用的I/O 口，因此对照明灯进行控制是非常方便的。一个照明控制器可以根据实际情况分别或同时控制4盏、8盏、16盏照明灯。LPC2119是通过固态继电器来对照明灯进行控制的。

    为了增强系统的抗干扰性，本照明控制器采用了光电隔离技术，所有的输出均采用了光电耦合器将干扰信号隔离，有效地提高了系统的可靠性。同时由于CPU 的I／O驱动能力有限，一般不足以驱动一些电磁执行器件，需加接驱动接口电路，为避免系统受到干扰，须采取隔离措施。如本例晶闸管所在的主电路是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与CPU 直接相连，可应用光耦合器将CPU的控制信号与晶闸管触发电路进行隔离。光耦隔离驱动电路如图3所示。

图3  双向可控硅隔离驱动

结语

    本文介绍的智能照明控制器性能稳定，工作可靠。同时可通过CAN网络由上位机结合光强仪、车辆检测器等进行智能控制，在隧道的建设或改造中，都可以使隧道照明的回路减到最少，不仅节约了初期投资，而且在运行期间可以大大的节约电能消耗。本智能照明控制器已开发出单回路、双回路、四回路、八回路等系列产品，并已搭建成模拟网络通过了测试，目前正在与某高速公路隧道业主商谈实际应用。

参考文献：
1. LPC2119 User Manual . http://www.semiconductors.philips.com/
2. 周立功，ARM微控制器基础与实践，北京航空航天大学出版社，2003
3. 邬宽明，CAN总线原理和应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1997