簡述ARM微處理器的隧道照明智能控制器

引 言

隧道是高速公路的重要組成部分，隧道照明系統(tǒng)是車輛能夠安全地進入、通過和離開隧道區(qū)域必不可少的基本保證。目前長隧道的照明分為入口段、過渡段、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。應急燈除在停電時用作應急照明外還兼作全日照明，全日燈24小時不間斷工作，加強燈根據洞口不同的亮度來開啟。

隧道內不同區(qū)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、行車速度、燈具的養(yǎng)護周期等諸多因素有關，甚至與路面的材料和洞壁的裝修材料有關。這些燈的控制目前基本上是靠開關照明回路來進行控制的。一般隧道都有七八個照明控制回路，建設投資大，施工難度高，隧道開通后管理者僅能在有限的回路里進行控制，很難兼顧到運營成本和隧道安全。

我們采用Philips公司（編者注：現更名為NXP公司）的基于ARM7 TDMI-S 內核的微控制器LPC2119設計實現智能照明控制器，應用在高速公路隧道照明CAN網絡中，較好地解決了隧道照明初期投資、運營成本和隧道安全之間的矛盾，收到了很好的經濟效益和社會效益。

隧道照明系統(tǒng)CAN 網絡的構成

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

CAN協(xié)議是建立在國際標準組織ISO的開放系統(tǒng)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。用戶可在其基礎上根據實際需要開發(fā)自己的應用層通信協(xié)議。CAN總線信號的傳輸可采用雙絞線、同軸電纜或光纖，最高通信速率可達1Mbps，數據傳輸在5Kbps 時，傳輸距離可達到10Km。一個CAN網段上的網絡節(jié)點可達110個，還可通過CAN網關/網橋延伸網段或和其他各種網絡互連互通。

CAN總線的這些特點使得其很適宜應用在條件苛刻的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)或照明控制系統(tǒng)中。高速公路隧道照明控制系統(tǒng)CAN網絡主要由上位機、智能照明控制器、CAN網關/網橋等構成（圖1）。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)CAN網絡構成

上位機為PC機，內插PC-CAN 接口卡，網絡拓撲采用總線結構，傳輸介質采用雙絞線，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在傳輸介質和智能控制器之間采取了光電隔離。上位機并與隧道車輛檢測器群和光強檢測儀相連，配以我們開發(fā)的相應軟件，對整個隧道的照明系統(tǒng)進行智能控制。

軟件的控制策略如下：在沒有車輛進入隧道時，根據光強檢測儀所檢測到的洞內外光強差值，在隧道內只開啟相應的基本照明，當車輛檢測器檢測到車輛將進入隧道時，開啟隧道洞口的加強照明，當車輛進入隧道后，則將車輛前面一段相應距離的加強照明開啟，一旦后面無車輛跟進，則將汽車身后的加強照明關閉。

同時利用光強儀還可判斷晴天、陰天、白天、晚上而開啟或關閉相應的照明?？蓪蝹€的照明進行單控也可對區(qū)域照明進行群控?？刂撇呗噪S時可根據實際情況進行修正。這樣節(jié)約了大量的電能，有效的降低了運營成本。

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、開關控制模塊等組成。通信模塊將所有的控制器連接成一個完整的網絡，便于值班員在監(jiān)控室對整個照明系統(tǒng)進行遠程控制，光強、溫度、電流檢測則是通過對這幾個參數的檢測來判斷設備的工作情況，開關控制模塊則是通過光電耦合、大功率可控硅開關進行控制的。

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精簡指令集的微處理器，具有32位總線寬度，內置16KB的SRAM，128 KB Flash 存儲器。通過片內PLL對片外晶振的倍頻，可實現最大為60MHz 的 CPU 操作頻率。

同時通過片內Boot裝載程序可實現ISP在系統(tǒng)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32 位定時器、4 路10位ADC、2路CAN、8路10位ADC、以及多達9 個外部中斷使它們能很好的滿足系統(tǒng)的設計需要。系統(tǒng)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± 0.15 V），I/O 操作電壓范圍：3.0~3.6 V（3.3 V± 10%），可承受5V 電壓，而溫度傳感器和光電傳感器及光耦隔離器均需5V直流電源驅動，故在設計電源模塊時必須提供5V、3.3V和1.8V的直流電源。在電源電路里加入了整流橋和穩(wěn)壓模塊，并采用電源隔離器B0505S將輸入和輸出電源相隔離，以屏蔽電源噪聲的影響。

通信模塊

高速公路中長隧道一般都在1至2公里左右，特長隧道甚至達到十幾公里。隧道燈的數量也從數百盞至數千盞不等。加上隧道內環(huán)境條件惡劣，而RS-485通信存在抗干擾能力差，誤碼率高，無糾錯重發(fā)機制，通信距離短，不方便擴展等缺點，因此這里采用RS485通信網絡并不合適。LPC2119內部集成了2個CAN控制器，這給我們采用CAN網絡提供了便利。

CAN通信速率高、開放性好、通信距離長，且具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點，與其它通信總線相比，CAN總線數據通信具有突出的高可靠性、實時性和靈活性。我們通過CAN總線還可以把通風機、車行橫洞卷簾門等相關設備的控制集成在一起。

光強、溫度、電流檢測模塊

LPC2119 內部集成了四路10位A/D轉換器，這就給光強、溫度、電流檢測提供了極大的便利。光強檢測是通過光敏三極管來檢測環(huán)境亮度參數提供給主程序進行自動控制，也可通過此參數判斷光源的好壞。溫度參數提供設備本身和周邊環(huán)境溫度，以求設備安全可靠的工作。電流參數則是對光源的工作狀態(tài)進行不斷的監(jiān)測，交流信號經過互感器、信號調理后直接送入LPC2119內部集成的A/D轉換器進行電流參數的采集和變換。

開關控制模塊

LPC2119提供了多達46個通用的I/O 口，因此對照明燈進行控制是非常方便的。一個照明控制器可以根據實際情況分別或同時控制4盞、8盞、16盞照明燈。LPC2119是通過固態(tài)繼電器來對照明燈進行控制的。

為了增強系統(tǒng)的抗干擾性，本照明控制器采用了光電隔離技術，所有的輸出均采用了光電耦合器將干擾信號隔離，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。同時由于CPU 的I／O驅動能力有限，一般不足以驅動一些電磁執(zhí)行器件，需加接驅動接口電路，為避免系統(tǒng)受到干擾，須采取隔離措施。如本例晶閘管所在的主電路是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與CPU 直接相連，可應用光耦合器將CPU的控制信號與晶閘管觸發(fā)電路進行隔離。光耦隔離驅動電路如圖3所示。

圖3 雙向可控硅隔離驅動

結語

本文介紹的智能照明控制器性能穩(wěn)定，工作可靠。同時可通過CAN網絡由上位機結合光強儀、車輛檢測器等進行智能控制，在隧道的建設或改造中，都可以使隧道照明的回路減到最少，不僅節(jié)約了初期投資，而且在運行期間可以大大的節(jié)約電能消耗。本智能照明控制器已開發(fā)出單回路、雙回路、四回路、八回路等系列產品，并已搭建成模擬網絡通過了測試，目前正在與某高速公路隧道業(yè)主商談實際應用。

參考文獻：

1. LPC2119 User Manual 。

2. 周立功，ARM微控制器基礎與實踐，北京航空航天大學出版社，2003

3. 鄔寬明，CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計，北京航空航天大學出版社，1997

編輯：jq