一种使用cortex-M3设计的宿舍智能联网控电系统

一种使用cortex-M3设计的宿舍智能联网控电系统 一种使用cortex-M3设计的宿舍智能联网控 电系统 sYsPRAcT.cE系统实践l45 一 种使用cortex-M3设计的 宿舍智能联网控电系统 吴方'杨艳燕2王震3 (1,3:北京理工大学珠海学院计算机科学技术学院珠海519085) (2:南阳理工学院南阳473000) 摘要:学生宿舍安全用电问题一直是学校管理的重要环节,为了更好,更安全,更有效 地管理好学生宿舍的安全用电问题,宿舍智能联网控电系统应运而生.宿舍智能联网控电系 统采Cortex-M3内核芯设计,由终端系统,中控系统和上位机三部分组成,具有很好的扩展 性.本系统的应用可以大大提高学校后勤部的工作效率,具有很好的推广价值和经济前景. 1.前言 宿舍是学生生活休息的栖身 地,安全文明的宿舍环境是保证 学生安心学习的前提.而用电安 全又是宿舍安全管理中的重要环 节.宿舍智能联网控电系统正是 为了更好,更安全,更智能的管 理好学生宿舍安全用电这问题而 生的.宿舍智能联网控电系统的 研发成功将大大减轻学校后勤部 的工作负担.同时它将提高宿舍 的用电安全,更保障了大部分学 生的作息时间. 2.系统设计 本系统分为单片机控制的终 端系统,ARM机控制的中控系统 和PC机构成的上位机.终端系统 直接连接到受控电路,可以单独 使用,也可以通过网络与中控系 统连接起来.中控系统可以自成 一 个体系,也可以多个中控系统 通过网络与PC上位机相连,具有 很好的扩展性. 本系统的总体架构是每间宿 舍安装一个终端模块,接收中控 模块传来的信号.一层楼安装一 个中控模块,实现控电效果与联 网功能.上位机与各中控模块进 行通讯,实现数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 .系统模 型拓扑图如下图1所示: 图1系统模型拓扑图 46』sYsPRAcT.cE系统实践 图2终端模块简图 终端模块是本系统最重要的 组成部分,它由用电检测模块, 用电控制模块,报警模块,显示 模块,键盘模块,通信模块等几 部分组成.由我负责其中的电检 测模块和用电控制模块.终端模 块简图如图2所示: 3.终端设计 终端模块的功能主要有数据 采集功能,继电控制功能,报警 功能,显示功能,键盘功能,通 讯功能.各功能特点如下: 1.数据采集功能:连续地 采集当前电压值,把收集到的模 拟量转换为数字量,输出在LCD 上. 2.继电控制功能:通过编 程,将当前功率与参考功率比 较,用以控制继电器的开断. 3.报警功能:设置限定时 间,当断电信号进入时,能产生 警报,在限定时间内,若用户不 自行停止使用大功率电器,系统 将自动强制断电. 4.显示功能:在LCD上能显 示收集的数据和输入的功率值. 5.键盘功能:输入特定值到 终端. 6.通讯功能:实现终端与上 位机的通讯,数据传送和传输控 制信息. 终端关系图如下图3所示 图3终端关系图 4.硬件设计 4.1EASYAR_M_615简介 EasyARM6151是一款基于 32位ARM处理器集学习,研究和 开发于一体的入门级开发套件, 该套件采用LuminarvMicro(流明 诺瑞)公司生产的StellarisTM(群 星)系列微控制器LM3S615. LM3S615是首款基于ARM Cortex,M32内核的控制器之一, 其将高性能的32位运算能力和低 延迟的中断响应,在汽车电子和 工控领域有出色的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现. EasyARM615采用模块积 木式模块架构,可选配多种常用 模块,为电子产品开发,电子大 赛,课题设计和毕业设计提高设 计效率. 4.2电流互感器器选型 本项目选用LMK1—0.5系列 电流互感器.考虑到本次项目是 在大电流,大电压的电路环境下 进行测试的,所以我们选用电流 互感器把电流,电压值变成对开 发版和人体都安全的可接受的范 围值. 4.3继电器与继电驱动电路 固态继电器是一种全部由固 态电子元件组成的无触点开关元 件,他利用电子元器件的点,磁 和光特性来完成输入与输出的可 靠隔离,利用大功率三极管,功 率场效应管,单项可控硅和双向 可控硅等器件的开关特性,来达 到无触点,无火花地接通和断开 被控电路 在电路开关的模块中,我 们选用SSR单相交流固态继电器 (SSR一10DA).由于开发板上 提供的电流不够大,不足以驱动 固态继电器工作,所以我们会加 一 个继电器驱动电路.具体电路 如下图4.1所示: 图4.1继电驱动电路 扣 4.4钳位电路 本项目采样交流电,而交流 电是个正弦波,所以设计用钳位电 一 图4.2二极管钳位电路 压的方法将周期性变化的波形的顶 部保持在一确定的直流电平上. 设输入信号如图4.2所示,在 零时刻,uO(0+)=4-E,uO产生 一 个幅值为E的正跳变.此后在 0,t1间,二极管D导通,电容C 充电电流很大,uC很快等于E, 致使uO=0.在t1时刻,ui(t 1)=0,UO又发生幅值为一E 的跳变,在t1一t2期间,D截止, 充电电容C只能通过R放电,通 常,R取值很大,所以uC下降很 慢,uO变化也很小.在t1时刻U l(t2)=E,UO又发生一个幅 值为E的跳度,在t2一t3期间,D 导通,电容C又重新充电.与0一t 1期间内不同,此时电容上贮有 大量电荷,因而充电持续时间更 短,uO更迅速地降低为零.以 后重复上述过程,uO和uC的波 形如图Z1616(b),(C).可 见,uO的顶部基本上被限定在零 电平上,于是,就称该电路为零 电平正峰(或顶部)钳位电路. 将图4中的二极管反接,便 可把输入矩形波的底部钳位在零 电平上,形成零电平负峰(或底 部)钳位电路. 5.软件设计 5.1操作系统简介 uC/OSl1可以说是最小 的操作系统内核了.这里的u表 示micro,所以uC就是指微控 制器.其作者JeanJ.Labrosse 将第1版的源代码发表在1992 年的《EmbeddedSYStem Programming》杂志上,从而引 起人们的注意和采用.在此基础 上,后来又推出了uC/OSlJ的第 2版,即uC/OSlI. 现在IJc/osll己经在世界范 围内得到广泛使用,包括诸多领 域,如手机,路由器,集线器, 不间断电源,飞行器,医疗设备 以及工业控制.这表明IJc/osIl 具有足够的安全性与稳定性,能 用于与人性命攸关的,安全性条 件极为苛刻的系统. 5.2采样功能的软件设计 5.2.1ADC的初始化和配置 为了使用ADC模块,必须使 能PLL,同时使用所支持的晶振 频率3.使用不支持的频率可能 会导致ADC模块的的运作发生错 误. 一 ,模块初始化 ADC模块的初始化过程很 简单,只需几个步骤.主要的步 骤包括使能ADC时钟和配置采 sYsPRAcT.cE系统实践I47 样序列发生器的优先级(如有必 要). ADC初始化的顺序如下: 1.通过写0x00010000~0系 统控制模块中的RCGC1寄存器将 ADC时钟使能. 2.,经应用要求,必须在 ADCSSPRI寄存器中对采样序列 发生器的优先级进行配置.默认 的配置是采样序列发生器0优先级 最高,采样序列发生器3优先级最 低. 二,采样序列发生器的配置 采样序列发生器的配置要 稍微比模块初始化的过程复杂, 因为每个采样序列是完全可编程 的. 每个采样序列发生器按照以 下步骤进行配置: 1.保证采样序列发生器 被禁能,这可以通过写0到 ADCACTSS寄存器中对应的 ASEN位来实现.采样序列发生器 无需使能就可编程.如果在配置 过程发生触发事件,那么在编程 过程中禁能序列发生器就可以预 防发生错误的执行操作. 2.为ADCEMUX寄存器中的 采样序列发生器配置触发事件. 3.在ADCSSMUXn寄存器中 为采样序列中的每个采样配置相 应的输入源. 4.在ADCSSCTLn寄存器中 为采样序列中的每个采样配置采 样控制位.在对最后半个字节进 行编程时,确保END位已置位. 不过置位END位失败可能会引发 不可预测的行为. 48fsYsPRAcT.cE系统实践 5.如果要使用中断,必须写 1到ADClM寄存器中相应的MASK 位. 6.通过写1到ADCACTSS寄 存器中相应的ASEN位将采样序列 发生器逻辑使能. 5.2.2ADC采样程序函数设计 模数转换器(ACD)API提 供一组函数来处理ACD.函数可 以配置采样序列发生器(sample sequencer),读取捕获数据, 注册一个采样序列中断处理程序 以及处理中断屏蔽/清除.调用 API函数的好处是不需要了解寄存 器即可对该模块进行操作. SyscItlADCSpeedSet():设置 ADC的采样速率. ADCSeqUenceDisable():禁 能一个采样序列. ADCSeqUenceConfigUre ():配置采样序列 发生器的步进. ADCSequenceEnabIe():使能 一 个采样序列. ADCProcessorTriggerO:引发 一 次采样序列的处理器触发. 5.3模拟比较器的软件设计 模拟比较器是一种外设,它 能够比较两个模拟电压的大小, 并通过自身提供的逻辑输出端 将比较结果以信号的形式输出. LM3S615控制器提供3个独立的 集成模拟比较器,可配置模拟比 较器来驱动输出1,产生中断或 ADC事件. 比较器可将测试电压与下面 的其中一种电压相比较: ?独立的外部参考电压 ?一个共用的tl'~6参考电 压 ?共用的内部参考电压 比较器可以向器件管脚提 供输出,以替换板上的模拟比较 器,或通过比较器中断或触发 ADC来通知应用以使得它开始 捕获一个采样序列.中断产生和 ADC触发逻辑是相互独立的.这 就意味着,例如,中断可以在上 升沿产生而ADC在下降沿触发. 5.3.1初始化和配置 下面的例子展示了应如何配 置模拟比较器才能从内部寄存器 中读回其输出值. 1.向系统控制模块中的 RCGC1寄存器写入0x00100000 的值来使能模拟比较器O的时钟. 2.在GPIO模块中,使能与 CO一相关的GPlO端口/管脚并将 其用作GPIO输入. 3.向ACREFCTL寄存器写入 0x0000030C的值,从而将内部电 压参考配置为1.65V. 4.向ACCTLO寄存器写入 0x0000040C的值,从而将比较器 0配置为使用内部电压作为参考, 且不在C00管脚上输出任何值的 模式 5.延时一段时间. 6.读取ACSTAT0寄存器的 OVAL值,便可获得比较器的输出 值.改变C0一上输入信号的电平 以观察OVAL值的变化. 5.3.2模拟比较器程序函数设 计 通过调用ComparatorConfigure ()这个函数配置一个比较器. 通过调用ComparatorRefSet ()这个函数设置内部参考电压值. 通过调用ComparatorValueGet ()这个函数获取比较器输出的当前 值. 通过调用GPlOPinTypeCompamtor ()这个函数为用作模拟比较器输入 的管脚提供了正确的配置. 6.结论 宿舍智能联网控电系统是为 了管理好学生宿舍安全用电这问 题而生的.宿舍智能联网控电系 统分为单片机控制的终端系统, ARM机控制的中控系统和PC机 构成的上位机.终端系统直接连 接到受控电路,可以单独使用, 也可以通过网络与中控系统连接 起来.中控系统可以自成一个体 系,也可以多个中控系统通过网 络与PC上位机相连,具有很好的 扩展性.宿舍智能联网控电系统 的研发成功将大大减轻学校后勤 部的工作负担,具有巨大的的经 济价值. 参考文献 【1】周立功等编着.《Easy ARM615实验教程》[M].中国:广 州致远电子有限公司,2006 【2】ARM公司.《ARM Cortex—M3开发指南》【M】.英国: ARMHTTP:www.arlT1.corn 【3】江力主编蔡骏王艳春 董泽芳副主编.《单片机原理与 应用技术》.清华大学出版社 , 2006