（交通信息工程及控制专业论文）机场灯光自动化网络监控系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 目前国内路灯监控系统、机场助航灯控制系统都有各自的相关产品，但 其自动化、网络化的程度不高、故障定位与检测能力不强。而一个楼字或一 个单位的广告灯、景观灯还没有相应的网络化的控制产品，都是独立控制系 统。在机场有路灯、广告灯、景观装饰灯、助航灯等，它们各自分属于不同 的管理部门，有自己的管理系统。机场迫切需要提高管理效力、节约管理成 本、提高服务质量、降低企业能耗，为此需要一个能将各种灯光统一管理、 及时监测各种故障、定位故障源的智能化的网络产品来替代现有的产品。使 企业的服务质量、管理水平上一个新的台阶。 本文从机场这几种不同属性灯光的统一管理为出发点，对其监控对象的 特性、监控方法、实现策略进行了理论上的描述，同时对实现的具体手段与 方法进了论证。并且完成了硬件电路与软件的研制，经实践验证，该系统能 很好完成机场不同属性灯光的统一管理与维护，达到了最初的设计要求。 关键词；监控系统，智能化，故障检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s 仃a c t a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cs t r e e tl a m pm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h e a i r d r o m en a v a i dl i g h t s c o n t r o ls y s t e me a c hh a si t sc o r r e s p o n d i n gp r o d u c t s b u tt h e i r a u t o m a t i z a t i o na n dn e t w o r kd e g r e ea r el o w , t h ef a i l u r eo r i e n t a t i o na n dc h e c k i n g a b i l i t yo f t h c ma r ew e a k i ka d v e r t i s e m e n tl i g h t sa n ds i g h tl i 吐t si nab u i l d i n go r 缸e n t e r p r i s ed o n th a v et h ec o r r e s p o n d i n gn e t w o r kc o n t r o lp r o d u c t s t h e ya r e a b s o l u t ec o n t r o ls y s t e m s t h e r ea r es t r e e tl a m p s ，a d v e r t i s e m e n tl i g h t s ，s i g h t d e c o r a t i n gl i g h t sa n dn a v a i dl i 曲t se t ci nt h ea i r d r o m e e a c ho f t h e mh a si t so w n m a n a g e m e n ts y s t e ma n db e l o n g st od i f f e r e n tm a n a g e m e n td e p a r t m e n t s oi t s u r g e n tt oi n e r e 硒et h em a n a g e m e n te f f i c a c y ，e c o n o m i z em a n a g e m e n tc o 瓯i m p r o v e s e r v i c eq u a l i t ya n dr e d u c et h ee n e r g ys o u r c e sc o n s u m i n gf o rt h ea i r d r o m e s ot h e a i r d r o m en e e d san e t w o r kp r o d u c tw h i c hc a l lm a n a g e st h ea l lt h el i g h t su n i f o w i n l y , m o n i t o t sa n dc h e c k sa 1 1t h ef a i l u r ei nt i m ea n do r i e n t st h ef a i l u r e $ o u r c et or e p l a c e a l lt h ep r e s e n tp r o d u c t s t h i sw o r kc a ni m p r o v et h es e r v i c eq u a l i t ya n dm a n a g e a b i h t yo f t h ee n t e r p r i s et oan e wl e v e l f r o mt h eu n i f o r mm a n a g e m e n to f t h es e v e r a ll i g h t sw i t hd i f f e r e n tp r o p e r t i e si n l h ea i r d r o m e ，t h i sp a p e l d e s c r i b e st h ec h a r a e t e r i s t i t so f m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g o b j e c t s ，m e t h o d so fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n ga n dt h es t r a t e g yo fr e a l i z a t i o n t h e o r e r i c a l l y a tt h es a m et i m e t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e st h er e s o r t sa n dm e t h o & o f r e a l i z a t i o n s p a d e ra l s oa c h i e v e st h eh a r d w a r ec i r c m ta n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h ep r a c t i c ed e m o n s t r a t e st h a tt h es y s t e mc a nb e h a v ew e l li nt h e u n i f o h nm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo f t h el i g h t sw i t hd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c si n t h ea i r d r o m ea n dr e a c ht h eo r i g i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：m o m t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ，i n t e l l i g e n t i z a t i o n , f a i l u r ec h e c k i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着机场规模的不断扩大和吞吐能力渐趋饱和，公司管理水平的重要性 大大提高，并逐步成为机场盈利的决定性因素之一。机场规模扩大后，其管 理成本、维护成本都在增加，机场与航空公司等客户之间的谈判空间在增大。 因此，这都要求机场管理技能迅速提升，节约管理成本，缩减维护成本。更 由于机场的属地化管理和民营资本进入，其机场的管理成本、维护成本、管 理的科学化、现代化等成为双方关注的焦点。 如今随着新机场的修建、旧机场的改建、新设备的添加、一些老设备的 更新等等都需要对机场的各种设施进行科学、合理、有效的维护与管理，使 其发挥其最大的功效。目前机场的配电系统、用电设施、灯光系统管理方式 的缺点如下： 对电网运行状况的掌握依赖人工巡视； 运行维护人员太多，人力成本过高； 事故快速反应能力不足； 对电能质量缺乏有效的监控，谐波污染严重； 对电能消耗缺乏有效管理，企业成本高。 为此，提出了一种机场助航灯、路灯、广告灯、景观灯、灯光配电设备 等的故障在线巡检系统。可以对各种灯具开路，输入功率过小，隔离变压器 桶进水，隔离变压器二次开路，灯光配电设备的相电压、相电流、断路器状 态、功率因素、视在功率等各种状态进行监测。通过在线巡检，机场工作人 员可发现灯具故障并及时进行维护。消除人工监控的各种弊端，提高工作效 率，实现机场灯光管理系统的现代化。同时采用综合监控系统，不但可以提 高故障的检修率，而且可以减少工作人员的劳动强度、减少人员配置，特别 是通过对机场路灯、广告灯、景观灯开关时间严格控制和半夜灯的控制，减 少能耗，节约成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 研究的现状和发展态势 在国内路灯监控系统产特别是城市路灯监控系统已有非常成熟的系列产 品。由于城市路网复杂，路灯数量庞大、地理位置分散、其通信的要求与环 境也各不相同。不能将城市路灯的监控与管理方式用在生活小区、机场这样 相对位置较集中的区域内。同时，机场除了有公共的照明设施外，还有助航 灯控制系统。在市场上，还没有一套能将机场助航灯、路灯、广告灯、景观 灯统一管理、及时监测各种故障、定位故障源的自动化、网络化的产品。 随着科技的进步，人民生活水平的提高，对城市环境、居住环境的要求 也会越来越高。那么不光是城市路灯，机场、居住小区的灯光系统都要求实 现自动化监控和智能化的科学管理，进一步提高道路照明质量，从而提高服 务质量；进一步提高维护、检修效率，从而保证整体亮灯率和设备完好率； 进一步降低能耗、减轻劳动强度，从而避免无畏的电能和人力物力的浪费。 为此，目前开发一套以民用机场的四种灯光为对象的监测与控制系统， 是有现实意义与推广价值的产品。 1 3 研究目标与内容 1 3 1 研究目标 通过对监控对象、使用环境、用户要求等详细情况的分析，实现机场助 航灯光、路灯、广告灯、景观灯、灯光配电设备等的故障在线巡检，使机场 的灯光管理系统网络化、现代化。 1 3 2 研究内容 路灯、广告灯、景观灯、助航灯它们有各自不同的属性，要采取不同的 监控手段。特别是助航灯故障检测的内容和控制的方法与前面的三种灯光都 有不同，在这几种灯光控制中，助航灯的监控尤为重要，其监测要准确及时， 故障定位要准，要求在最短的时间发现故障、排出故障，同时其智能化水平 比前三种要高。 根据机场助航灯光的要求，重点要解决助航灯光的自动化决策、智能监 控和智能巡检等方面亟待解决的问题。在自动化决策方面，该系统能够根据 实时采集的航管信息，自动决策何时开关灯、开哪些灯、开几级光，从根本 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 上解决人工操作容易忘记开灯或者开错灯的问题。在智能监控方面，对灯光 的各种数据定期存储，并且还可以让管理者异地查阅历史和实时的灯光资料； 在智能巡检方面是使管理者足不出户就能实时监控外场灯具的工作状态，对 灯箱进水、断电等所有非正常状况一清二楚。 在网络控制中心建立机场灯光动态监控系统，以便在中央控制中心了解 每个区域灯的开关状态、回路电流、各路电压和亮灯率等参数；建立监控中 心进行分组群控、单组群控、单点控制的控制系统，以便控制中心可以在任 何时间对任意一个或任意一部分和全部路灯进行开关控制；设计相关应用软 件，实现自动设置某几个时间段内，单侧灯亮，节约电能；建立对机场建筑 楼宇的高压、低压开关柜、变压器等变配电设备和自备发电机等动力设备进 行监测与报警的控制系统等功能。 1 4 研究重点 1 电力参量的数字化 为了节约成本，以及现场安装、维护的方便，采用交流采样技术，通过 1 2 位a d 转换对相电压、相电流进行数据采集。那么对于系统要求功率因素的 采集，如果仍采用专业的功率因素传感器，势必又增加成本，或采用带有功 率因素采集的电流、电压传感器都是通过硬件的办法来实现功率因素的采集， 与节约成本是不相符的。为此，在系统方案设计时，考虑采用交流采样，通 过a d 采集相电压、相电流，通过软件计算出功率因素，有功功率。 2 将u c 0 si i 移植到8 位微处理器 虽说3 2 位的a r m 已越来越受到开发人员的青睐，由于其成本的下降、 强大的功能也得到市场的认可。但是在很多的应用场合使用8 位单片机足够， 它的开发成本、开发人员的熟悉程度是a r m 不可比的，所以在今后较长的一 个时间，5 1 单片机还会占有很大的市场份额。同时5 1 单片机本身的内部资源 也在不断地增强( 比如r a m 空间、r o m 空间都作得很大) ，这也给我们在 5 l 上运行多任务系统，提供了可能。 3 监控终端软件编写要向w i n d o w s 操作系统一样支持即插即用的功 能。 由于监控终端采用模块化设计，其通信要支持不同的通信方式，同时输 出控制模块也要分清是照明灯控制模块还是助航灯光控制模块。所以要求自 动识别接入的通信模块和输出控制模块，不需要对软件、硬件作任何的改动， 就能完成相关的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 5 系统构成原理框图 其监控系统主要由三部分组成：监控中心、监控终端。其系统原理框如 图1 1 所示。 1 6 系统工作流程简介 图1 一i 系统原理框图 机场灯光综合管理系统以机场的灯光工程设施为控制对象，覆盖整个机 场。设一个监控中心，若干个监控点，监控中心通过有线、无线专用网、无 线公用网等方式向监控终端发送测控指令，各监控终端根据测控指令执行相 应的亮化工程参数检测或开关动作，并将检测参数或指令执行结果通过有线 或无线网向监控中心报告。此外，各监控终端随时将终端检测到的故障信息 向监控中心报告，确保在故障发生后监控中心能及时得到报警信息。 在监控中心实现对各监控终端自动或手动的遥控、遥测等功能，实时监 测终端的运行状态及相应参数，接收故障报警信息；通过监控终端下达控制、 检测命令，并具有分级报警功能、操作权限控制功能、统计报表打印功能和 远程抄表功能。图i - 3 为控制中心的主界面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 7 论文章节安排 图1 - 3 控制中心主界面 本论文以机场灯光控制系统的实现为出发点，针对监控终端的特点，重 点分析监控终端核心参量的采集原理、方法：数据传输协议的制定与实现； u c o s i i 在8 位m c u 中的移植、监控中心p c 机监控软件的各功能模块等内容。 第1 章绪论。 第2 章监控终端的组成原理及要求概述。 第3 章监控终端各模块的设计原理。 第4 章监控中心p c 机软件的功能及要求。 第5 章监控系统软硬件的实现。 第6 章系统的技术规范与技术参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章监控终端的组成原理及要求概述 系统的主要设备是数据远程采集终端r t u ( 在以下的部份中称为监控终 端) ，它是远程采集及控制的实现基础。只有将需要监控的有关数据通过可靠、 快速的采集设备送到监控中心，其他的相关功能才能有实现的基础。通过监 控终端的数据采集端口送入各种开关量( 开关状态) 、模拟量( 电流、电压等) ， 完成数据的采集，并通过通讯介质将采集到的数据传到监控中心，完成远程 数据采集功能；同时将监控中心的控制命令通过通信链路送到相关控制设备， 完成远程控制。 2 1 监控终端所要监测与控制对象的分析 2 1 1 机场助航灯 机场助航灯光系统是保障飞机在夜间、低能见度或者其它复杂天气条件 下，在航空港进行正常的起飞、着陆、滑行的必要目视助航设备。助航灯光 系统的工作状况、可靠性、应急性与飞机的安全紧密相关。 为使飞行员有明晰的视觉效果和区别于其他灯光，助航灯光系统设置了 不同的回路，由不同的回路对不同种类，作不同功能使用的助航灯进行控制。 助航灯光的控制主要由塔台和灯光站完成。从控制对象上来说，每一个回路 分别由供电系统、恒流调光器、升压变压器、隔离变压器、助航灯具及电缆 组成，如图2 一l 所示。一般情况下，由于机场助航灯数目多，跑道长，机场在 跑道两端附近分别各设有一个灯光站，位于主降落端附近的灯光站称为主灯 光站，位于次降落端附近的灯光站称为次灯光站。不同回路的助航灯，通过 控制该回路的一个调光器来控制它们的开关灯和调光等级。针对不同气候条 件下不同的能见度范围，助航灯的调光等级设置了5 个等级。 图2 - 1 助航灯光结构图 鉴于机场助航灯光对于飞机起降安全的重要性，民航总局机场司下发的 工作手册规定：灯光工作人员每天都要对所有灯泡巡检一次，更换烧坏和发 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 暗的灯泡。助航灯光巡检监控系统的产生，就是用于对整个机场所有助航灯 进行状态检测及监控的。 2 1 1 1 现有系统存在的问题 目前国内外现有的助航灯检测系统，其检测数据的传送，都是采取调制 耦合的方案，其主要思路是利用主电缆通讯。在隔离变压器与灯泡之间安装 检测电路，检测灯位信息，然后将检测数据通过隔离变压器的次级耦合到主 电缆回路上，用载波的方式传到调光器，由控制台接收，然后解调显示。其 系统结构原理如图2 - 2 所示。 图2 - 2 调制耦合方案的系统结构原理图 这种方案虽然不用另外构架信道，但却存在许多技术难题。 首先是目前国内各机场所使用的调光器种类众多，其技术参数相差很大。 虽然主要频率均为5 0 h z ，但输出波形都不相同，差别也比较大。第二，根据 隔离变压器生产商所提供的资料，每个隔离变压器初级两端的电压有效值为 6 3 0 v 。如果一个调光器带有1 0 0 个负载( 隔离变压器) ，调光器输出电压有 效值将达j i u 3 0 0 0 v ，峰值还将更高。要在这么高的电压里可靠检测次级灯位信 息的调制信号是相当困难的，一点点小的干扰就会使系统产生误判断，使整 个检测系统的检测可靠性大幅度下降。第三，由于调光器的输出电路上接了 很多的隔离变压器，隔离变压器在回路上为感性负载，信号频率越大阻抗就 越大。要把检测到的灯位信息用调制的方式传送到灯光站，隔离变压器就起 着严重的阻碍作用。第四，由于助航灯光系统的供电信号原则上都是低频的， 所以隔离变压器生产商在设计时并没有考虑让隔离变压器能通过高频信号， 隔离变压器的最高截止频率仅为3 0 0 h z ，这对调制信号也造成了严重的障碍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 最后，调光器的输出电流在供电回路上造成的频谱，分布着广泛的杂波，对 调制信号的解调也是一个难题。 因此，要想利用主电缆进行信号传输，并能满足所有调光器的方案是不 可行的。这些都是目前国内外此类系统可靠性难以保证并且价格昂贵的根本 原因之一。采用光纤进行检测数据的通讯是一个很好的选择，它不仅抗干扰 性性能好，而且不需通信距离、通信容量的问题。 2 1 1 2 助航灯监控终端设计难点分析 ( 1 ) 灯泡正常时，隔离变压器次级( 即灯泡两端) 的电压有效值在1 5 级 光变化范围内约6 3 0 v ，在这个范围提取检测器的工作电压，是比较容易的。 ( 2 ) 但在灯泡断芯时，相当于隔离变压器的次级负载电阻无穷大，隔离变 压器次级的电压就大幅度上升，根据目前测到的数据，在3 级调光，次级电压 的峰值已超过4 0 0 v 。有些隔离变压器的次级电压在5 级光时高蛰j 3 5 0 0 v ( 用5 0 0 型万用表测量) 。要把这么宽的电压稳定到检测器的工作电压，也是一个难题。 ( 3 ) 助航灯光供电及调光系统的多样性。不同的恒流调光器输出的电流 波形并不相同，这对上述工作电源的设计是有影响的。 目前投入商业运用的调光器，根据使用功率器件的不同，分为可控硅式、 磁放大器式和铁磁谐振式。早期的调光器一般采用磁放大技术，控制比较困 难，体积大；大功率可控硅出现后，很多调光器都使用可控硅移相调压技术 对正弦波进行切割从而控制输出电流大小，但可控硅在切割瞬间很容易产生 冲激，对整个系统造成很大损坏：到了近期，国外的调光器一般是结合了这 两种技术，先用可控硅对正弦波进行切割，控制电流，再利用磁放大技术对 切割后的波形进行缓冲、整形，输出类似正弦波的波形。但是目前国内生产 的调光器还是使用单纯的可控硅移相调压技术，将切割后的波形直接输出。 目前，国内规模较大的机场一般采用英美等国进口的调光器，而中小机 场则采用国内生产的调光器。 n 。w 一 图2 3c c r - - t h 0 调光器输出波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 l 八 八 vwv 7 图2 - 4c h 调光器输出波形 。 。一 。 。 ”一w 1 7 图2 - 5h c r 一2 调光器输出波形 为了确保巡检系统能适用于各种调光器，先后对不同型号、不同生产厂 家的调光器进行测量，图2 3 、图2 4 、图2 5 分别为英国t h o r n 公司的c c r - - t h o 调光器、美国c l o u s e - - h i n d s 公司的c h 调光器、大连电子研究所的h c r 一2 调 光器的输出波形。 三种调光器输出的波形都不相同，图2 - 3 是最接近正弦波的，它的主要 频率为5 0 h z 。图2 - 4 则出现波形不对称，但这个波形的频谱也相对比较窄， 比较干净。而国内中小型机场普遍使用的调光器的输出波形( 图2 5 ) 相当复 杂，其频谱非常宽。另外这种信号对主电缆、隔离变压器等等设备都有损害， 严格讲是个不合格的产品。 2 1 2 机场照明灯光现行控制方法 现在采用控制方法以分散时钟控制方式为主，即在路灯配电箱中安装定 时器，按预定的时间自动开关灯；而有些景观灯开关通常是人工手动控制方 法。分散时钟控制法的主要缺点是不考虑天气对光照度的影响，每天在固定 的时间开关灯；从而造成阴雨天光照度严重不足但没有开灯，或者晴朗天气 虽然到了固定开灯时间但光照度仍然充足，白白浪费电力；关灯时间的固定 不变，同样出现类似的不合理现象。此外，随着季节的变化，定时器需要人 工频繁地调整。 总之，现行的控制方法既不能及时调整开关灯的时间，更无法及时反映 照明设施的运行情况，并且故障率高，维修困难。随着机场的改、扩建，控 制范围越来越大，现行的控制方法无法及时反映照明设施的运行情况，使得 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 维修工作十分被动。运行过程中的故障只有等待巡视人员到达现场才能发现， 或者被动地等待用户的电话反映，因此难以做到及时维修。此外，由于缺乏 灵活的控制手段，花费大量经费建设起来的各类景观灯，难以充分发挥应有 的效能。 2 监控终端的组成原理与框图 为了能将各种灯光统一处理，要求监控终端必须采用模块化方式进行设 计。根据需要设计以下三种处理模块：通信处理模块( 要求处理几种不同 的通信要求) ；数据采集模块( 此模块分模拟采集量与数字采集量) ；输 出控制模块( 输出控制模块也要分清是照明灯控制模块还是助航灯光控制模 块) 。其原理框图如图2 - 6 所示 1 1 6 路模拟信号输入 i c p s 时钟校准源i1 4 位7 段l e d 显示l nbi f j 滤波、放大电路j a d 模块 i o 模块 牟= 令悼口通信 一 _ o j d r c p u1 8 路输出控制i 车= c p u s t c 8 9 c s t c 8 9 c i a d - 西片 5 8 r d + 5 8 肼 一圜 p d 9 5 7 4 c = 今 仁爿并行通信接口b 介介rl n a l 川a a o c 畦$ 2 3 2 、r s 4 8 5 r s 2 3 串硎降份通信 主通信模块c p ul 仁冷随信接口 懦信棒口l麒块 s t c 8 9 c 5 8 r d + p j i = 1 ”l l | 6 8 2 5 6 存储芯片 图2 - 6 监控终端组成原理框图 2 3 监控终端内各模块间的数据传输协议 监控终端采用模块化设计，采用两种通信方式与控制中心连接，一路作 主通信模式，别一路作备份，当一方通信出现故障，能自动转为别一种通信 方式，并向控制中心报告通信模块故障信息。各模块功能完全独立，有各自 独立的核心处理控制器，任何一个模块的功能出现故障，都不会影响整个系 统的正常工作。同时，任何一个模块出现故障，监控终端都能自动识别，并 向控制中心报告。监控终端各模块之间采用并行通信方式，来满足通信速率 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的要求。 2 3 1 传输机制 p s b u f ( p i 口) 敢括信号 r 6 廿u r r 1u ，飘辐1 日 h a n d s i a n l ( m 1 ) h a n d s i n a l ( i n t l ) 图2 7 模块间并口通信原理框图 在图2 2 中a d 模块和i o 模块之间，1 0 模块是主机，a d 模块是从机。a d 模块 主要完成1 6 路模拟量的识别与采集；i o 模块主要完成开3 2 路关量的采集与1 8 路控制量的输出。 在传输中，a d 模块的单片机的p 1 口作为8 位数据总线，外部中断i n t i ( a d _ p 3 。4 ) 作为握手信号线，p 3 4 是光耦控制信号。为了防止两块单片机相 互干扰，故在总线上加上了光耦。因此，总线为半双工传输方式。当数据从 a d 模块传向1 0 模块时，a d _ p 3 4 为低电平，i o - p 3 4 为高电平；相反，当数 据从1 0 传向a d 时，a d为高电平，i o _为低电平。_ p 3 4 p 3 4 2 3 2 模块间数据传输协议 2 3 2 1 空闲状态 p 1 、i n t i 全部为高电平。 2 3 2 2 建立链接过程 初始状态和总线空闲时，总线处于i o 模块向a d 模块传输模式。如当监控 中心要求上传a d 数据或g p s 时间时，i o 模块单片机拉低握手信号线( i n t i ) l o o m s ，向a d 模块示意准备传输，同时设置超时系统，如果a d 模块没反应，再 请求，最多3 次。a d 模块接收到握手信号线超过1 0 m s 的低电平，则认为此动作 有效，否则认为是线路干扰。此后，i o 模块和a d 模块在握手信号线变高后， 同时转换总线传输模式变为a d 模块向i o 模块传输模式，传输模拟量和g p s 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的数据。在传输过程中，a d 模块先延时2 0 0 m s ，等待通信线路稳定。再通过p s b u f 发出数据，h a n d s i g n a l 同时产生一个负脉冲，即握手信号。从机通过查询外 部中断1 ，读出p s b u f 的值。目前，a d 模块向1 0 模块的上传数据量是4 0 个字节 和一个校验字节。传输完成后，i o 模块和a d 模块同时转换总线模式变为 1 0 模块向a d 模块传输模式。在结束时，i o 模块不需要向a d 模块发应答信号， 如果i o 模块对收到数据校验错误，则i o 模块再次向a d 模块申请上传数据( 最 多申请3 次) 。 2 3 3 数据帧的格式定义 2 3 3 1 帧格式定义 目标地址( d e s t ) ( i b y t e ) + 数据长度( l e n ) ( 1 b y t e ) + 数据类型( d a t t y p e ) ( i b ) + 数据( d a t a ) ( 最多2 5 0 b y t e s ) + 校验( c h e c k ) ( 1 b y t e ) i dr 1 2 8 k 一一o x o 卜一主通信模块 i da d c - - 0 x 0 3 - 一模拟量采集模块 i d j o 一一0 x 0 7 一开关量采集和输出控制模块 校验：模2 5 6 校验和( 校验从数据长度开始) 2 3 3 2 数据类型 下传数据类型： o x l1 e 传实时的采集数据 o x l k 设定手动控制开关灯 o x l 3 _ 设定开关灯时间表 o x l 仁设定时钟时间 o x l 5 一e 传历史记录 o x l 忙上传g p s 、1 3 0 2 时钟 上传数据： 涉及的模块 a d 模块、i o 模块 1 0 模块 i o 模块 i o 模块 r 1 2 8 k 模块 a d 模块、i o 模块 o x l l 上传实时的采集数据( a d 板数据+ 1 0 板数据，按顺序排列，格 式固定) o x l 5 _ 一e 传历史记录 。 o x l 6 一上传g p s 、1 3 0 2 时钟( a d 板的g p s 时钟+ 1 0 板的1 3 0 2 时钟) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 4 数据的存储格式 2 3 4 1a d 模块数据存储格式：( 3 4b y t e ) 采用1 2 位a d 转换芯片a d 5 7 4 来完成电压、电流的数字化采样。a d 模 块同时可对1 6 路模拟信号进行采样。其中1 5 路为交流输入信号，数字化采 样后用2 个存储单元来存放数据，共要3 0 个存储单元。最后1 路为直流输入 信号，数字化采样后，用1 个存储单元来存放数据。经过a 、b 、c 三相电压、 电流的数字化采样后，计算出的a 、b 、c 三相的功率因素需要3 个存储单元， 所以a d 模块数据共要3 4 个存储单元来存放所采集到的数据。其在内存中的 存储格式如表2 1 所示，在c 语言中通过结构体数据类型来实现。 表2 1a d 模块数据存储格式 r a m 地址单元 r a m 单元存储内容 a ( 首地址单元) a u a 相的总电压( 2 个字节) a + 2 b u a + 4 c u a + 6 a i a 相的总电流 a + 8 b i a + l o c i a + 1 2 1 1h 1 支路电流 a + 1 4 1 2 2 支路电流 a + 1 6 1 3 a + 1 8 1 4 a + 2 0 i5 a + 2 2 1 6 a + 2 4 1 7 a + 2 6 i8 a 十2 8 i9 a + 3 0 i1 0 光耦的输入( 1 个字节) a + 3 1 a 相的功率因素( 1 个字节) a + 3 2 b 相的功率因素 a + 3 3 c 相的功率因素 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 4 21 0 采集数据的存储格式( 9 字节) i o 模块中开关量采集共2 4 路，每一路的高、低电平代表不同的i o 状态， 如空气开关状态传感器送来高电平，代表空气开关断开；如送来低电平代表 空气开关正常，共需要3 个存储单元( 共2 4 个b i t 位) 来存放i o 数据。由于 监控终端的实时时钟芯片d s l 3 0 2 电路设计在i o 模块上，存储当前数据的采 集时间( 年月日时分秒) 共需6 个存储单元。所以，i o 数据采集时共需9 个 存储单元来存放数据，其在内存中的存储格式如表2 - 2 所示 表2 - 21 0 采集数据的存储格式 r a m 地址单元 i c a l 单元存储内容 a ( 首地址单元)存储i 0 量 a + l 存储f o 量 a _ 屹 存储i o 量 a + 3 年( 采集数据时的时间) a + 4 月 a + 5 日 a + 6 时 a + 7 分 a + 8 秒 2 3 4 3 手动开关灯信号数据的存储格式( 9 个字节) 监控终端可对1 6 条支路的路灯进行开、关控制。在监控中心的p c 机上， 可设定监控终端对每条支路的开、关灯时间，为了保证输出控制及传输的可 靠性，采用数据冗余的方式来控制每条支路的开和关( 1 1 b 一开灯； o o b 关灯： 1 0 b 、o l b 一状态不变) 。共需4 个存储单元存放开关信号数 据，再加上开关灯的时间( 时、分、秒) 共需7 个存储单元，其在内存中的 存储格式如表2 3 所示。 表2 - 3 手动开关灯信号数据的存储格式 r m 地址单元 r a m 单元存储内容 a ( 首地址单元) 控制i o 量( 2 个字节) ( 两位对1 路) a + 2 控制r o 量( 2 个字节) a + 4 时 a + 5 分 a + 6 秒 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 3 4 4 各支路开关灯时间存储格式( 共2 4 个字节) 监控终端可预先设定每天的开关灯时间，这个时间由监控中心p c 机定时 下传到每个终端。这样可在微机中预存1 年3 6 5 天，每天的开关灯时间表， 用户也就可以根据当地的日出日落时间来修改这个表。设计时，本想每条支 路的开、关灯时间不一样，但由于在监控终端中，这个时间表存入了d s l 3 0 2 中，其存储空间有限，就改为每4 条支路的开关灯时间不一样，其时间存储 格式格式如表2 - 4 所示。 表2 4 各支路开关灯时间存储格式 r a i l 地址单元 r 埘单元存储内容 a ( 首地址单元) 支路1 、2 、3 、4 的开机时间：时 a + 1 分 a + 2 秒 a + 3 支路l 、2 、3 、4 的关机时间；时 川 分 a + 5 秒 a + 1 8 支路1 3 、1 4 、1 5 、1 6 的开机时间：时 a + 1 9 分 a + 2 0 秒 a + 2 1 支路1 3 、1 4 、1 5 、1 6 的关机时间：时 a + 2 2 分 ， a + 2 3 秒 2 3 4 5g p $ 、1 3 0 2 时钟数据存储格式( 共1 2 个字节) 每个监控终端都有两套相互独立的时钟，一个是d s l 3 0 2 时钟，一个是 g p s 时钟。系统为了节能，根据日出日落时间来开、关灯，如果系统时间不 准，将会给监控系统带来严重的事故。所以用g p s 作主时钟，d s l 3 0 2 作备 用时钟。其数据存储格式如表2 - 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 表2 - 4g p s 、1 3 0 2 时钟数据存储格式 r i 地址单元 r a m 单元存储内容 a ( 首地址单元) g p s 的时间：年 a + 1 月 a + 2 日 a + 3 时 a + 4 分 a + 5 秒 a + 6 1 3 0 2 的时间：年 a + 7 月 a + 8 日 a + 9 时 a + 1 0 分 a + 1 1 秒 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章监控终端的设计原理 3 1 i 0 模块的输出控制原理 为了保证路灯监控系统正常运行，除了要求监控终端设备具有良好的工 作性能和可靠性外，还要考虑到一旦监控终端出现故障，监控系统能自动转 入到备份的控制系统中。因此，监控终端具有开关灯控制转换的功能。 3 1 1 开关灯控制系统组成及工作原理 3 1 1 1 开关灯控制系统组成 开关灯控制系统组成如图3 - 1 所示。图中左侧部分为路灯低压控制线路， l d k 为路灯控制器，c 为交流接触器线圈，c 1 为交流接触器触点，d l 为路灯负 荷空气开关，d 为路灯。未加入监控终端时，路灯控制器的输出端a 点与交流 接触器线圈c 的b 点直接相连，路灯控制器直接控制路灯的开关灯。图中右侧 部分为监控终端的控制转换继电器线路，l j 为控制转换继电器，k g 为监控终 端发出的开关灯驱动信号，q h o 为继电器控制转换信号。监控终端加入路灯 低压控制线路后，路灯控制器l d k 的输出端h 与交流接触器线圈b 端的连接断 开，直接连到控制转换继电器l j 的常闭接点1 、5 接线端上。这样，由监控终 端、路灯控制器l d k 和低压线路共同组成了开关灯控制系统。 图3 - 1 路灯开关灯控制系统组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 1 1 2 工作原理 当监控终端工作正常时，q h o 信号为0 v 电平( 原理在后面分析) ，这时1 2 v 电源通过继电器l j 线圈与q h 0 信号形成回路，l j 继电器线圈有电流流过，l j 继 电器动作，常闭接点1 、5 断开，常开接点4 、6 接通，阻断了路灯控制器l d k 对 交流接触器的控制，同时为监控终端提供2 4 v 电源( 用以产生k g 开关灯信号) ， 此时系统的开关灯由监控终端控制，路灯控制器l d k 只起备份作用。 当监控终端工作不正常时，q h o 信号变为+ 1 2 v 电平，l j 继电器线圈没有电 流流过，接点l 、5 恢复到常闭状态，接点4 、6 恢复常开状态，接通了控制器 l d k 对交流接触器c 的控制，同时切断了产生开关灯信号k g 所需要的2 4 v 电源。 这时的开关灯控制转换为路灯控制器l d k 控制，保证了监控终端在“故障” 状态下的正常开关路灯。 当监控终端恢复正常后，由于q h o 信号变为o v 电平，系统恢复到监控终 端控制路灯开关灯的状态，路灯控制器l d k 又恢复到备份的状态。 3 1 2 终端控制器o h o 信号电路原理 通过上述转换原理可以看出，路灯开关是由监控终端控制还是由路灯 控制器l d k 控制，这取决于q h o 信号的状态。当q h 0 为0 v 信号时，开关灯由监 控终端控制；当q h o 为1 2 v 信号时，开关灯由路灯控制器l d k 控制。q l o 信号的 状态决定着系统控制的转换，q h o 信号的电路原理如图3 2 。 鲫o 信号电路由晶体管电路、与非门电路、单片机电路和- i a x l 2 3 2 ( “看 门狗”) 电路组成。这个电路实现两个功能，一个功能是：当监控终端出现 “死机”，失去监控作用时，能够自动产生1 2 v 的q h o 转换信号；另一个功能 是：监控终端发现自身存在“故障”，无法控制开关灯时，主动产生1 2 v 的 q h o 转换信号。上述两个功能在电路上分别通过对“或门”电路( 7 4 h c 3 2 ) 输 入脚1 3 和1 2 的控制来实现。下面从监控终端的两种工作状态分析q 1 0 信号的电 路原理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图3 - 2q 1 0 信号电路原理图 ( 1 ) 监控终端工作正常。监控终端工作正常，是指监控终端的核心电路单 片机工作正常，即单片机能够对监控终端各组成电路进行有效控制。这时的 单片机( s t c 8 9 c 5 8 r d + ) 通过地址译码器( 7 4 h c l 3 8 ) 和地址选通器( 7 4 h c 0 2 ) 向数据锁存器( 7 4 h c t 5 7 3 ) 的输入脚8 发送o v 信号经数据锁存后，在输出脚9 产生o v 电平信号，并送到“或门”电路( 7 4 h c 3 2 ) 的输入脚1 2 。 与此同时，单片机( s t c 8 9 c 5 8 r d + ) 还通过内部程序，定时向数据锁存器 ( 7 4 h c t 5 7 3 ) 的输入脚1 8 ，交替发送间隔为2 5 0 m s ( 毫秒) 的o v 信号和5 v 信号， 这样在输出脚1 9 形成连续的、周期为5 0 0 m s 的w d t 方波信号，波形图见图3 3 。 这个w d t 信号一路送到 f a x l 2 3 2 芯片的脚7 输入端，只要脚7 输入端有连续的 5 0 0 m s 方波信号，m a x l 2 3 2 芯片的脚6 输出端r r s 信号就一定是5 v 电平信号， 并加到“与非门”电路( 7 4 h c 0 0 ) 输入脚1 3 。另一路w d t 信号经过电容c 和电 阻r 组成的微分电路，形成锯齿波电压j f ，加到“与非门”电路( 7 4 h c 0 0 ) 输 入脚9 。从图3 - 3 波形图可以看出，在n + l t 时刻及其后的一段时间内，j f 信号 为o v 或接近0 v 的电平。根据“与非门”电路的特点：只要有一个输入端是低 电平，输出端就是高电平。这样在输出脚8 产生一个5 v 电平，并加到另一个“与 非门”电路的输入脚1 2 。根据前面分析，此时输入端1 3 是5 v 的r r s 信号，这 样“与非门”电路的两个输入脚1 2 、脚1 3 都是高电平，根据“与非门”电路 的另一个特点：输入端全部是高电平时，输出端是低电平。这样在输出脚1 1 产生一个0 v 低电平。这个低电平分2 路，一路送到“与非门”电路输入脚1 0 ， 继续维持输出脚8 输出高电平( 不论此时j f 信号是o v 还是5 v ) ，从而保证输出 脚1 l 处于稳定的低电平状态( ? 4 h c 0 0 芯片的两个“与非门”电路组成双稳态 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 触发器，具有稳定输出脚1 1 状态的功能) ；另一路送到“或门”电路( 7 4 1 i c 3 2 ) 的输入脚1 3 。 根据前面分析，单片机工作正常时，在数据锁存器( 7 4 h c t 5 7 3 ) 脚9 产生 o v 低电平信号，并加到“或门”电路( 7 4 h c 3 2 ) 的脚1 2 。这样“或门”电路 的两个输入脚1 2 和脚1 3 都是低电平，根据“或门”电路的特点：输入端都是 低电平信号时，输出端才是低电平。因此输出脚1 1 输出低电平，并加到“与 非门”电路( 7 4 h c o o ) 的输入脚4 和脚5 ，由于脚4 和脚5 连接在一起组成反相 器电路，使脚4 和脚5 输入的低电平信号，经过反相器在脚6 输出端产生5 v 高电 平信号q i q f ，高电平信号q h q f 使晶体管q l 基极处于正向偏置，晶体管q 1 进入 饱和导通状态，集电极输出电压q h o 为o v ( 接近o r ) 。根据前面的控制转换原理 分析可知，此时q h o 信号的低电平状态，导致l j 继电器吸合，常闭接点1 、5 断 开，从而决定了在监控终端工作正常的情况下，控制转换进入监控终端控制 开关灯的状态。 ( 2 ) 监控终端工作不正常时。对q h