（控制理论与控制工程专业论文）基于软逻辑的城市路灯控制器的实现.pdf

基于软逻辑的城市路灯控制器的实现 摘要 i e c6 1 1 3 1 3 标准是国际电工委员会( i e c ) 制定的工业控制编程语 言的标准，在工业控制领域中产生了重要影响。它把控制、通信、人机 界面以及各种特定的应用合为一体，并能应用到不同的硬件平台，如 i p c 、d c s 、p c 1 0 4 ，d s p ，a r m 等。研究、开发和推广应用软逻辑 技术，将可带来巨大的经济效益，在各行业具有广阔的应用市场。 本文针对目前城市道路照明存在的人力物力耗费大、难以集中管 理、浪费电能、故障排除效率低等缺陷，提出了一种采用基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的控制软件作为控制器软件核心部分的解决方案。 该方案以s 3 c 4 4 8 0 x 和v x w o r k s 作为嵌入式系统平台，利用基于 u m l 的r h a p s o d y 实时统一建模语言，完成系统架构，并重点研究了 基于嵌入式系统的i e c6 1 1 3 1 3 标准的软逻辑控制平台，完成了i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软逻辑控制在v x w o r l 【s 操作系统下的移植，实现了编 程系统的程序通过t c p i p 通讯协议下载到路灯控制器。完成了路灯控 制器m o d b u s t c p 协议，便于组态软件和路灯控制器交换数据。开发出 电参数采集模块、定时开关灯模块。并在此平台上，采用梯形图( l d ) 语言和连续功能图( c f c ) 语言，实现了电参数采集、路灯开关、高速实 时操作系统任务调度、远程g p r s 及i n t e r n e t 通信控制等功能，具有 自动化程度高、运行可靠、高效节能、扩展性强等优点。城市路灯控制 器采用统一的、标准的国际化编程语言，具有通用性、模块化、可移植、 智能化的特点，符合当前城市路灯控制和管理的发展趋势。课题研发的 成果，不仅可应用于城市路灯控制器，还可广泛应用于节能监控、电力、 加工制造业等领域。 关键词：路灯控制器软逻辑电参数s 3 c 4 4 b o xv x w o r l s u m lr h a p s o d y i m p l e m e n t a t i o no fc i t ys t r e e tl i g h t i n g c o n t r o l l e rb a s e do ns o f tl o g i c a b s t r a c t i e c61 l3l 3s t a l l d a me s t a b l i s h e db yt l l ei i l t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h l l i c a lc o m m l s s i o n ( i e c ) i s 跹证d u s t r i a lc o 曲lp r 0 笋嫩吼i n gl 盟g u a g es t a n d a r d i th a sh a dam 面o ri m p a c ti i l t l l ef i e l do fi n d u 嘶a lc o r 咖d 1 i t s s o 危l o g i c c o n 们l t e c h n o l o g y i s n e 黟a t e d 、析t l l c o 删m l 芏l i c a t i o 玛h u m a i l - n l a c m n e 劬耐如ea n ds p e c i 丘ca p p l i c a t i o n s ，锄dc o u l db ea p p l i e dt 0 d i 您羽m th a 既1 w a r ep l a t f o m l s s u c h 勰i p c ，d c s ，p c l0 4 ，d s 只a i 己m ，e tm r l 港e a r c l l ， d 钠伧l o p m e n ta n dp r o m o t i o no f f t - l o 西ct e c t u l o l o g y 觚dc o m m e r c i a l i z a t i o no fi t sp i 硼u c t s 、杭uc r e a t ea 协即舱i l d o u se c o n o m i cb e n e f l t s 锄dw i l lk l v em o 陀印p l i c a l i o n si na l ld o m a i n s 1 1 1 i sd i s 删o nj n l p l 锄e n t sac o n n 0 ls o 金w a r eb 嬲e d0 ni e c6 1 131 3s t a 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di i ll i g h t i n gc o n n 0 l l e r t h e c o n 伽l l e rc 趾e x c h a n g ed a n 】1 i l 晰mc o 血g u r a t i o ns o f t 、a 陀a c q u i s “i o nm o d i l l eo fe l e c t r i c a l p a r a i n e t e r s 觚dt i 蝴m o d n l eo fl i g h t i n gs 晰t c h e sa r ed e v e l o p e d a d o p t i n gl a d d e rd i a 蹦i i i l ( l d ) l a i l g u a g ea i l dc o n t i n u o u s 缸l c t i o nd i a 伊锄( c f c ) l 趾g u a g e ，i t 丽1 lf e a l i z ec e r 哳n 缸1 c t i o i l s ，s u c h 鹤a c q u i s i t i o no f a cp 碱吼e t e r s ，c 时s t r e e tl i g h t i n gs w i t c h e s ，i 印u t 觚do u t p u t c o m r o l ，t a s ks c h e d u l i n go fh i 曲一s p e e dr e a i - t i i n eo p e r a t i n gs y s t e m ，r e m o t eg p r s 锄di m e m e t c o m m u l l i c a t i o nc o n t r 0 1 t h e r e f o r ed l e s i g no fc i t ys t r e e tl i g l l t i n gc o n t r o l l e rh 弱a ( i v a i i t a g e so f l l i 咖q u a l i 哆a u t o m a t i o n ，f u n c 畦o nr e l i a b l e ，s a v i n ge n e 瑁y ，h i 曲- e 伍c i e n tp 【e r f o m a n c ea i l d c o n v e m e n tm a i n t e n a i l c e a d o p t i n gau n i f i e da n di n t e m a t i o n a ls 洲a r d s p r 0 铲a m m i n g l a i l g u a g ea n dh a v i n gc o n u n o 玛m o d u l 鸡p o r t a b l e ，i n t e l l i g e n tf e 姐鹏s ，t h ec 畸s 仃e e tl i 曲t i n g c o n l i r o l u e rc a nr e a c ht 0t h es o c i a ld e m 锄d so fc u r r e n tc i t ys 仃e e t l i 曲t s t h eb e n e f i t so fr e s e a r c h i l i 趾dd e v e l o p m e n ti i lt i l i sd i s s e n a t i o l l ，n o t0 1 1 l yc a nb e 印p l i e di i lc i 够s t r e e tl i g h t i n gd o m a i 玛 b u ta l s o 、i d e l yu s e di ne n e r g ) ，一s a v i n gc o 腑o l ，p o 、e r ，m a n u f a c t u r i n ga 1 1 dp r o c e s s i n ga r e 勰 k e ”o r d s ：c i 够s t r e e tl i g h t i r 培c o m r o l l e r ，s o r - l o g i c ，a cp a r 锄e t e r s ，s 3 c 4 4 b o x ，v x w b r k s ， u m l ，r h 印s o d y i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布 ( 保密论文需注明， 论文作者签名硼撖新繇张当6 彦年6 眇日 基于窜。毫辑的城市路灯控制器的实现 第1 章概述 1 1i e c6 1 1 3 1 3 编程标准的发展和现状 国际电工委员会i e c ( i n 钯m a t i o i 瑚e l e c 臼d t e c h l l i c a lc o m m i s s i o n ) 公布的i e c6 1 1 3 l 一3 标准是关于可编程控制器编程语言( p l c ) 的标准，它对可编程控制器的编程语言及其 基本元素进行了规范。这一标准为可编程控制器软件技术的发展，乃至整个工业控制软 件技术的发展，起了举足轻重的推动作用。l l 】 传统的p l c 最常用的编程语言采用的是梯形图。它虽然遵从了广大电气自动化人 员的专业习惯，易学易用，但是也存在许多难以克服的缺点： 不同厂商的p l c 产品其梯形图的符号和编程规则均不一致。程序的可移植性差。 缺乏足够的程序封装能力。一般要求将一个复杂的程序分解为若干个不同功能 的程序模块。或者说，人们在编程时希望用不同的功能模块组合成一个复杂的程序，梯 形图编程难以实现具有清晰接口的模块组合，也难以对隐藏模块内部数据，实现对程序 模块的封装。 不支持数据结构。 程序可重复性差。为了减少重复劳动，现代软件编程特别强调可重复使用。传 统的梯形图编程很难通过调用子程序实现相同的逻辑算法和策略的重复使用。 程序执行具有局限性。由于传统p l c 按扫描方式执行程序，整个程序的指令代 码完全按顺序逐条执行。面对要求即时响应的程序应用( 如执行事件驱动的程序模块) ， 具有很大的局限性。 传统的梯形图编程对于在算术运算处理、字符串或文字处理等方面均不能提供 强力支持。 对顺序控制功能的编程，只能为每一个顺控状态定义一个状态位，因此难以实 现选择或并行等复杂顺控操作。 因此，在c6 1 1 3 1 3 标准制定过程中，就面临着既要突破传统的编程语言的不足， 又要继承其合理和有效的部分。正因为有了i e c6 1 1 3 1 3 ，才真正出现了开放式的可编 程控制器的编程软件包，使它不依赖于特定的p l c 硬件产品，这就为p l c 的程序在不 同机型之间的移植提供了条件。 使用i e c6 1 1 3 1 3 标准编程的优势在于： 具有良好的开放性。采用独立于制造商的p l c 标准化编程语言，因而应用程序能 够运行于不同制造商的p l c ，并且允许程序在基于m c6 1 1 3 1 3 标准兼容的系统上进行 移植。 支持数据结构化的程序开发和软件重用和复杂的控制过程和结构化数据，具有很强 广西大掌硕士学位论文基于软逻辑的城市路灯控制器的实现 的错误检测和纠错能力，提高了程序数据和变量的可靠性。 能够更好的移植到非p l c 产品中，能够可靠的连接各种i o 装置、现场总线、网络、 p c 机等，满足各种控制系统的要求。 该标准支持自定义功能模块，如根据智能控制算法设计出预测控制、模糊控制、专 家控制、神经网络、智能p i d 等多种先进控制功能模块，用于程序调用。 为了推广i e c6 1 1 3 1 3 标准，世界先进工业国家开发出各种符合i e c6 1 1 3 1 3 标准的 开发平台软件，如德国k w 公司的m u l l i p r o g ，德国h f o t e a m 公司的o p e i l p c s ，德 国3 s 公司的c o d e s y s ，加拿大i c s 嘶p l e x 公司的i s a g 黜蟠。这些软件不依赖于特定的 p l c 硬件产品。为数众多的p l c 和d c s 生产厂商( 包括像西门子、横河电机、欧姆龙、 三菱电机、a b b 等) 都在这些开发平台软件上，进行二次开发，使其控制器能够采用 i e c6 1 1 3 1 3 标准的编程语言进行编程，并据此再将其高附加值的功能和控制算法嵌入 其中。例如欧姆龙的c x 编程软件是以m u l t i p r o g 软件平台为基础进行二次开发的。 同时，这种软件的开发方式也为p l c 的程序在不同机型之间的移植提供了可能。 近些年来，国内致力于自主知识产权的i e c6 1 1 3 1 3 标准的编程系统开发的有：浙 大中自、亚控科技、大连理工大学计控研究所，以及北京凯迪恩自动控制技术公司等。 其中亚控的踟g a c t 已经投入试用，浙大中自的s u i l y i e c 实现了i e c6 1 1 3 1 3 标准的五 种控制语言，是目前国内自行开发并拥有自主知识产权的编程系统，达到了较高的技术 水平。这极大地促进和加快了我国自动化控制设备的发展【l 】【2 】【3 】【4 】【5 】【6 l 【7 】【8 】【9 】。 1 2 城市路灯概述 1 2 1 城市路灯背景 自上世纪9 0 年代以来，半导体照明技术日新月异，l e d ( 发光二极管) 的丰富色 彩和数字化可控性，将使街道、居家、休闲场所变得更加多姿多彩和个性化。伴随着中 国城市建设发展日新月异，城市面貌也发生了很大变化。各个城市在规划建设当中越来 越重视城市的美化、亮化，其中城市道路不仅反映了城市建筑设计水平，体现了城市路 灯照明艺术，也直接和人民生活息息相关，同时也是现代化城市繁华程度的标志，并为 带动城市旅游起到了重要作用。【1 3 】 然而，传统的路灯管理方式，由于欠缺完善的通讯手段，无法根据需求，实现集中 管理监控，已经越来越无法满足日益发展的路灯管理需要。目前许多路灯管理还存在操 作结果不能监视、记录和统计。传统的方法以分散时控方式为主，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，大 部分数据依赖人工处理；终端设备是否正确正常投入、工作是否正常等无法知道，只有 靠白天夜间巡线巡灯及群众电话等手段来发现工作异常的设备，对于中等以上城市，靠 2 基于窜。乏辑的城市路灯控制器的实现 人工巡视一天内很难巡遍所有的设备，如有设备出现故障可能几天后才能发现，因而处 理设备故障的效率很低，且浪费许多无谓的人力和物力。传统的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。随着城 市的不断扩大发展，控制范围越来越大。 在遇到一些领导视察、举办大型活动、国宾接待等特殊任务时，由于缺乏灵活的控 制手段，必须临时派出大量的工作人员到现场手动操作或者临时通知各景观灯单位，因 此在时间十分紧迫的情况下，无法满足圆满完成任务的要求。 此外，城市路灯系统是一个用电大户，落后的控制手段也造成了大量电力资源的浪 费。用现代化的城市路灯监控系统来替代原有较为落后的路灯运行方式，不仅使城市照 明更加合理更加美观，管理更加科学化，而且可以节约大量电能。 近年来，我国在城市建设方面得到了较大的发展，城市格局在不断形成，城市环境 综合整治的力度在不断加大，城市的居住环境和城市面貌均发生了较大的变化，这体现 了城市的可持续发展战略。为了适应这一发展的需要，提高城市道路照明的管理水平， 就必须加快城市道路照明的现代化建设进程，用现代化的路灯监控系统来替代原来较为 落后、繁琐的路灯运行方式，可以将有限的人力节约下来，得以发挥其应有的作用，创 造更好的社会效益和更多的经济效益。【l 【1 4 1 1 2 2 城市路灯国内外现状 国外路灯知名厂家有p h i l i p s ，m ，库柏c o o p e r 等。它们技术的新颖，种类的 繁多，性能的可靠，售后的完善，其产品普遍受到用户的青睐。 国内路灯则以宁波燎原，深圳高力特，丹阳金益，东莞荧辉等为行业先锋。另外浙 江的余姚和江苏的丹阳还拥有众多的中小型路灯厂。【5 3 】 太阳能路灯也是目前新兴的路灯控制方案。青岛早在几年前就在滨海木栈道、汇泉 广场、音乐广场等场所进行了小规模的太阳能路灯安装实验。这些路灯的特点是环保、 节能，安全而且照明效果也不差。【6 2 j 1 西安市路灯监控系统通信方案简介 早在2 0 0 2 年以前，西安市为了建设高效可靠和实用经济的路灯监控系统，否定了 建立专网的可能，专家们主要理由是信号覆盖不好，设备维护大。并针对外地普遍采用 无线数据通信方式，以适应路灯监控“点多、面广、室外、信息量不大 的特点，以及 走访中国移动陕西移动通信公司。了解到g s m 短信方式具有多年不淘汰、覆盖面广、 网络升级不影响用户、延时和阻塞问题正常不发生并不断改善等优点，决定项目上马， 采用g s m 无线公共网短消息方式建立西安路灯监控系统的通信网络。唧】 2 沈阳路灯路灯管理局路灯控制方案 前两年，沈阳路灯路灯管理局认为普遍采用的g s m 短信方式受制于电信设施的更 3 基于留。乏辑的城市路灯控制器的实现 新换代，不利于路灯监控系统的长期稳定性。便利用路灯局大楼原有的通讯铁塔，架设 主控电台天线，建中继站覆盖无线网络。 缺点：采用无线数传电台通讯方式，建设维护设备的成本较高。 优点：保持了独立性和长期稳定性，不受公用电信部门设备更新和淘汰的影响，而 且运行费用低。【6 3 j 1 3 课题研究内容 本课题主要研究了软逻辑控制技术在城市路灯控制器中的解决方案。并且能够利用 先进的g p r s 与i n t e m e t 通信手段，该手段继承了前几年西安路灯移动公网的优点并在 此基础上加以更新。本文还说明了传统路灯控制存在的各种缺陷与不足。接着应用嵌入 式技术解决了城市路灯控制存在的一系列问题，路灯控制器研究的内容主要包括： 1 利用御汀7 0 2 2 b 完成对现场交流电参数的采集工作，通过c p l d 的i o 扩展完成 继电器控制和开关量输入等功能； 2 编写基于m o d b u s 协议的远程g p r s 和i n t e m e t 路灯监控程序，能够对基站进行远 程通信； 3 将运行系统移植到v x w r o 船操作系统中，能够实现运行系统与编程系统的i n t e m e t 网络通信。 4 编写基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的逻辑可编程( p l c ) 控制程序，实现对路灯基站的远 程监控，程序能够在不同的硬件平台上方便移植，具有国际化、标准化等特点。 论文以介绍城市路灯软件设计为主，在简要介绍完第二章城市路灯远程监控系统的 组成，以及第三章的基站控制器硬件构成后，从第四章开始进入论文核心部分路灯 基站软件的实现，并详细介绍了其具体实现过程。 1 4 课题意义 p l c 的i e c6 1 1 3 i 国际标准的正式颁布，推动了以p l c 为基础的d c s 系统、监控 和数据采集s c a d a 系统、安全联锁保护( e s d ) 系统、柔性制造系统( f m s ) 、运动控 制系统等应用的全面发展。本课题基于i e c6 1 1 3 1 3 标准，紧跟计算技术、通信技术和 工业控制技术的发展步伐，建立了一个集智能、计算、通信为一体的路灯控制器。并能 够在同一个编程系统下进行各种程序的编制。 研究与开发基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的城市路灯嵌入式监控系统对于推动现代工业控 制的标准化、智能化、网络化方面的应用具有重要意义。它解决了传统路灯控制的各方 面的不足：利用远程控制技术，提高了监控效率，和节约了大量的人力物力。采用i e c 6 1 1 3 1 3 编程标准，使得路灯编程人员更易于掌握程序的开发，减少项目开发经费和成 4 广西大学司e b 掌位论文基于秽乏辑的城市路灯控制器的实现 本，开发难度大大降低，使得基于该标准下的控制器可以胜任工况较为复杂的控制场合。 更重要的是，基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的产品具有国际化、标准化等特点，产品在国际市 场中具有很强的竞争力【1 1 。i e c6 1 1 3 1 3 标准的灯光控制器的解决方案，为国内的企业实 现产品与世界接轨提供有利的条件。 5 广西大掌硕士掌位论文基于软逻辑的城市路灯控制器的实现 第2 章城市路灯远程监控系统 2 1 城市路灯系统构成 城市路灯智能监控系统硬件主要由监控中心、通信网络、远程基站三大部分组成； 软件主要由上位机监控组态软件和下位机软逻辑控制软件两大部分组成。可根据不同城 市情况组成不同规模、不同需求的系统。其中通信网络的选取方面，本课题设计的路灯 控制器可以同时采用g p r s 与i n t e m e t 两种通信控制方式。上位机可通过i n t e m e t 与中国 移动的g p r s 网络互联，利用g p r s 通信。也可以直接通过i n t e m e t 与控制器连接。控 制器的设计符合这两种应用条件。如图2 1 所示为城市路灯监控系统部署图： 黟书 、 ，。 ， ，一曰，、 ，一! 一7一一l ! j n te r n e 弋；一二。j 0 p r s 。； 一一：一诮，一一一兰，二谕舔、7 一一一一一：诵裔。二一二，一歹一一谕舔、 广i ，： ，广 目 s 呷l 1s 谧严 & a t i 叫 塞塞塞塞耋塞耋塞 图2 1 城市路灯系统部署图 f i g2 1d e p l o y m e n td i a g m mo f p u b l i cl i g h t i n gs y s t e m 2 1 1 监控中心 监控中心主要负责对全市的路灯进行监控管理，包括接收远程基站电参数数据和下 7 耋一 广西大掣嵋页士掌位论文 基于稿。乏辑的捌0 t r 路灯控制器的实现 达控制命令等。监控中心可由一台电脑构成，也可以由小型局域网构成，包括普通用户 工作台、打印机、通信服务器、大屏幕投影等在内。 2 1 2 远程基站 远程基站是系统的外围执行部分，主要负责接收监控中心的指令并按指令执行，并 将采集到的相关电参数信息反馈回监控中心。远程基站采用先进的3 2 位的a i 洲7 嵌入 式芯片作为核心监控终端，稳定可靠，工作效率高。如因停电，死机，病毒入侵等原因 造成监控中心无法正常工作时，远程基站可以单独运行，保证路灯监控的正常进行。基 站主要完成开关灯控制、数据采集、数据通信等功能。该基站设备是本实验室自行研制、 设计生产，性能稳定，功能灵活。并经过严格的调试和联调及筛选。 l t，一 蛙什 i i | | - k ll - - ， 鞋入置控嘲暑 铜稻瞄 ， 璜 疆i 牲 坡l 。? t _ 广 1i t! l 蛲槽 一 稽 域憎坩 杖憎 i 昌凰。l j 4 刚必疆雪 j 呵 ，捌圈型 u y w 图2 - 2 控制柜结构图 f i g2 - 2s t m c t u 佗d i a 舯mo fi i g i l ts 协t i o n 远程控制基站由主电路部分、控制电路部分、远程通信部分。主电路部分包括断路 器、电流互感器、避雷器、交流接触器、熔断器等。控制电路部分包括隔离变压器、删 智能控制器( 核心板+ 电参数采集板) 、中间继电器、三位旋钮开关、风扇、指示灯等。 远程通信部分包括g p r s 通信模块、天线、通信线等，如图2 2 。将总空开( 断路器) 闭合后控制电路接通，路灯控制器和无线传输模块上电。两个三位旋钮有“自动 “手 动“空三个档位，打到“手动 档，控制器被旁路掉，路灯被打开；打到“自动” 档，路灯按照控制器指令进行动作。 8 广西大掌硕士掌位论文基于秽漫辑的城市路灯控制器的实现 远程控制基站有6 条支路，每路由一个交流接触器来控制，通过采用改变监控终端 删智能控制器核心板上的i o 口的高低电平来实现继电器的通断，当相应的i o 口电 平为高电平时，其控制的继电器吸合，当运行到定时的时间之后，i o 口的电平变成低 电平，从而断开继电器和交流接触器，实现定时控制。 2 1 2 1电气原理图 a l 蝴智能控制器利用逻辑开关控制( 继电器控制) 来实现弱电控制强电的目的， 如下是基站开灯控制信号转换的具体步骤： 核心板从上位机接收到m o d b u s 协议传输的开灯控制信号，如图3 1 ； 根据开灯信号对核心板c p l d 的i o 口置位，c p l d 的i o 口被置为高电平； 利用核心板上光耦t l p l 8 l g b 的光电隔离将c p l d 的高电平转化为2 4 v 对扩展板 上的欧姆龙继电器线圈进行吸合控制； 2 4 v 扩展板上的欧姆龙继电器线圈得电，触点闭合，对2 2 0 v 中间继电器线圈进行 吸合控制； 2 2 0 v 基站中间继电器线圈得电，触点闭合，对交流接触器线圈进行吸合控制； 2 2 0 v 的k m 交流接触器线圈得电，触点闭合，打开路灯，如图2 3 为基站主回路 图： 警羹主o 3cq f 断 路器 朋6 朋c ( ，： ：，中 l 广 毒 酬交流 接触器 进线 1 断器 i 图2 3 控制柜电气主回路图 f i g2 - 3m a i nc i r c u i td i a g 舳o fs n e e tl i g h t i n gs t a t i o n 9 广西大掌硕士掌位论文基于朝啦乏辑的城市路灯控制器的实现 2 1 3 通信网络 通信网络g p r s 和i n t e m e t 负责实现远程基站数据的上传和监控中心指令的下传。 路灯监控一般采用以下几种通信技术：全有线方式、无线专网、无线公网、电力载波等。 其中，使用最多、技术最成熟的是无线专网通信技术。主要针对监控系统的路灯控制器 数量多而且布局分散。所以不利于采用有线通信的方式。而自己搭建的无线专网具有较 高的独立性但成本较高。本课题设计的控制器能够采用中国移动的公网g p r s 无线网络 及i n t e m e t 有线网络，双网构造整个城市路灯监控系统的通信主体网络，其传输速率高、 通信可靠性高。其中控制器上的i n t e n l e t 接口在本次设计过程中还作为课题路灯系统软 件调试的通信接口。 2 2 系统特点 1 、系统采用先进的3 2 位删7 嵌入式控制核心，能自动运行监控程序，处理速度 快，稳定可靠。 2 、采用基于i e c6 1 1 3 1 3 国际标准的软逻辑控制软件。编程灵活简单，移植方便。 3 、上位机采用监控组态软件，工作人员可以根据实际需要灵活方便地设计画面， 界面友好，操作简便，简单易学。并能轻松添加o d b c 、o p c 接口，可以方便地与其他 数据库程序交换数据。 4 、上位机系统采用模块化设计，能够根据自己的需求对基站功能进行组态，结构 清晰，调用方便。 5 、采用g p r s 通信方式，具有传输速率高( 可传输图像) 、实时性强、可靠性高、 抗干扰能力强、初期建设投入少、覆盖范围不受限制、无障碍物阻隔的问题。 1 0 广西大胄昀骷掌位议譬基于彩逻辑的捌o t r 路灯控制器的实现 第3 章远程路灯控制器硬件组成 远程路灯控制器硬件主要包括m m i 处理器最小系统，c p l d 电路，电平转换电路、 a ：丌7 0 2 2 b 电参数采集电路以及继电器驱动电路等，功能组成结构图如图3 1 所示。【镐】 叵霹 核心板 垦 f l a s hl s d l 认mi 陬瘟耵 i 及复位l r s 2 3 2 3 1 警掣f c p l d 僦榴o x “警| ? 黑勰n o e lo l d s 2 4 0 3 a p i 实时时钟 光 电 祸 a 口 t l p 1 8 1 印 扩展板皿 卫 + 皿 卫 ：皿 _ 皿 皿 缝电器控 右i 输出 囤 皿 圆 网 产二= 2 。j 采样电流 l 删舱2 b 电压输入 图3 一l 远程路灯控制器功能组成图 f i g3 - ih 删w 撇咖咖他d i a g r 锄o f r 锄0 钯m o n i t o rt e 哪i n a l 控制器内部主要分为两个部分：4 层核心板和扩展板。核心板由主处理器最小系统 和c p l d 扩展电路和驱动电路组成，是路灯控制器的“总指挥中心 。扩展板由电参数 采集、继电器控制和开关量输入等部分组成，是连接核心板与路灯线路检测目标的“中 介”。其中交流电参数采集主要是采集三相电压电流，经过专用电参数处理芯片 触广r 7 0 2 2 b 处理后通过s p i 总线把结果送回核心板，最后通过g p r s 控制器把相关数据 送回监控中心集中管理，并且还可以定时或者通过接收监控中心的指令用来完成控制继 电器的通断任务，实现路灯的开关控制。【铝】 3 1 删核心板 远程路灯控制器核心板的最小系统以微型计算机( 删) 为处理器的数字控制电路。 删控制电路的优点有： 1 体积小。控制器只由少数几片集成电路构成，因此它通常比模拟控制电路的重量 轻、体积小，而且价格便宜； 2 能够实现先进算法。控制方案由软件来实现，因此它能实现p i d 调节，非线性控 制、前馈复合控制、最优控制以及自适应控制等； 3 易于定制裁剪。在少许改变硬件，只需修改一些程序段就能改变各种控制方案以 适应不同控制对象，控制装置通用性强，容易实现硬件设备的标准化； 广西大粤翰粘掌位论文基于软逻辑的城市珞灯控制器的实现 4 稳定性高。删控制电路属于数字控制电路，抗干扰能力较强。 核心板采用s 3 c 4 4 b o x 作为下位机的主控芯片，该处理器采用a i 己m 7 t d m i 核，工 作时钟频率最高可达6 6 m i z 。核心板设计并集成丰富的外围功能模块，外扩8 m 字节 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 的s d r 气m 存储器，i 玎l 8 0 1 9 网络模块，s d 2 4 0 3 a p i 实时时钟模块， l c d l 2 8 6 4 液晶显示模块等，还利用r s 2 3 2 串口扩展g p r s 模块实现无线通信。【4 s j r s 2 3 2 主要用于连接厦门桑荣s a r 0 3 1 5 0 e pg p r sd t u 无线通信m o d e m ，实现路灯 控制器与远程监控中心的无线通信。s a r 0 3 1 5 0 e pg p r sd t u 通信模块提供永远在线、高 速、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。利用g p r s 网络平台实现数据信息的透明 传输，在网络结构上实现虚拟数据专用网。核心板通过r s 2 3 2 接口与s a r 0 31 5 0 e pg p r s d t u 进行数据信息的传递。 在核心板上，因为s 3 c 4 4 b o x 的i 0 口数量有限( 属于复用管脚，基本都被功能管 脚占用) ，无法满足要求。采用t e r ae p m 7 1 2 8 s 型号的c p l d 扩展需要的i o 口，扩展 出对应扩展板的9 条继电器驱动电路端口。a l t e me p m 7 1 2 8 s 具有m u l t i v o l t 伙) 特性， 其i o 可以通过设置实现诸如输入5 v 与输出3 3 v 的操作电压。在本控制器的设计中， v c c n t 引脚是为c p l d 内核逻辑与输入缓冲供电，与5 v 电源相连，因此输入电压阈 值为5 v 的t t l 电平，并兼容3 3 v 5 v 的输入电平。v c c i o 是专为输出驱动供电的电 压引脚，接3 3 v 电源，提供o 3 3 v 的输出驱动电平。c p l d 的路灯控制输出和开关量 输入通过光耦与强电部分隔离，避免外部干扰对核心电路的影响。【4 3 】 3 2 扩展板交流电参数采集 通常对交流电参数的采集的原理是在一个工频5 0 h z 周期内进行多次a ，d 采样，再 对结果进行f f t 运算后才得到电流电压有效值及其它相关的参数。扩展板采用珠海炬力 a 1 盯7 0 2 2 b 实现这些功能。该芯片是高精度三相电能专用计量芯片，能够测量各相的电 流、电压有效值、有功功率、无功功率等。待测的交流电压、电流通过互感器隔离之后 再经过滤波电路输入到电能计量芯片a 1 盯7 0 2 2 b 的电压、电流信号输入口，然后在该芯 片内部进行相关的a d 转换及数字信号处理，最后结果被保存在相应的内部寄存器中。 处理器通过触盯7 0 2 2 b 的s p i 总线接口读取参数采集结果。本路灯控制器由3 片 御阿7 0 2 2 b 组成，每片筒盯7 0 2 2 b 可以同时测量3 相交流电压和电流信号，控制器能够 同时测量9 条支路的电流电压一共1 8 个交流信号。由于s 3 c 4 4 8 0 x 没有专用的s p i 口， 这里使用普通i o 口来实现s p i 总线的s c l k 、d o u t 、d i n 信号线，另外对a 1 汀7 0 2 2 b 的片选信号，以及s i g 信号和复位信号由c p l d 提供。因为a t t 7 0 2 2 b 输入输出为0 5 v ， 所以s c l k 、d o u t 、d i n 的s p i 信号线需要通过s n 7 4 l v t l 6 2 4 5 转换电平之后才能与 s 3 c 4 4 8 0 x 连接。【4 8 】 1 2 广西大掌硕士掌位截誓基于窜啦乏辑的城市路灯控钼l 器的实现 第4 章远程路灯基站软件设计 城市路灯照明系统是火车站、机场、城市街道、高速公路、景观性建筑、标志性建 筑等处的重要系统。而远程路灯基站是城市路灯系统的重要组成部分之一，它是实现局 部路灯控制的最小基本单元。本课题设计的路灯基站控制器是基于数字化的微机控制技 术，6 0 7 0 的功能由软件实现，如与上位机通讯，控制现场路灯开关，采集现场数据 等功能。本章将分别从系统u m l 建模的角度和程序编写的角度介绍远程路灯基站软件 的设计。 4 1 基站系统眦建模 4 1 1 面向对象建模的提出 4 1 1 1结构化设计的优缺点 在工业控制软件设计的早期，软件系统彼此独立，数量稀少，可以利用的经验非常 缺乏，而结构化设计方法则在这种一开始就缺乏经验的时候有着极大的帮助，帮助人们 从需求、功能的角度分析和理解系统，设计出实现功能所需的具体步骤，可以理解为以 功能为导向。结构化设计方法优点在于：当面对一个只知道存在各式各样需求，而对系 统其它方面一无所知的时候，它可以通过“功能 帮助逐步理清需求之间复杂的关系， 具有对系统需求的重复功能进行汇聚的能力，通过对系统的需求的整体理解，知道系统 到底需要做些什么，从而对系统有更清楚的认识，对“需求的理解和分析是结构化方 法的核心。这样也可以理解为什么结构化设计方法比面向对象设计方法更早的诞生。【2 3 】 结构化设计总结为： 1 以实现功能为导向，以分析步骤为主。 2 只注重函数功能的重复利用能力。 结构化设计历来备受责备的就是需求和设计之间的鸿沟，被紧紧局限于信息流与过 程流，这限制了对模块之间众多关系的表达，也无法体现模块和模块之间其他的众多关 系，包含各种各样的结构、行为、依赖、包含( 在结构化设计中这种关系隐含在分层中) 、 继承、关联关系等等。结构化设计方法试图通过信息流及其转换来认识系统，把对象之 间的相互关联与相互作用强行转换为过程步骤，可能功能实现简单了不少，这天生造成 了某种障碍，特别是在关系复杂的大型系统中不易于分析理解。 4 1 1 2面向对象的提出 为了使系统软件具有较高的可靠性、可维护性，结构化、模块化是系统软件设计的 关键，软件模块的划分应尽量明确、相对独立。相比之下，面向对象方法则和熟悉的认 1 3 基于审。乏辑的捌臼打路灯控制器的实现 识世界的方式相吻合，更加的自然。人们可以把千百年来总结的对世界规律的认识( 一 般与特殊，整体与部分，因果等关系) ，应用到软件系统编程中。采用了“结构、行为 这两个主要的模型( 还有其他) ，将现实世界模型转化为软件模型与行为。 就分析设计层面来说，面向对象技术提供了更高级的抽象能力以及更多的方法和工 具，如设计模式。 就实现维护层面来说，面向对象技术使代码重用更容易，且使代码具有可扩展性， 便于软件的维护和升级更新。 4 1 2 用统一建模语言( u 池) 实现系统建模 作为面向对象建模的工业标准，u m l 几乎被所有面向对象的软件项目所使用。它 能在开发过程中，根据不同阶段的具体要求，选择不同的图形来描述系统的静态结构模 型或者动态行为模型。一般过程是： u m l 的用例模型确定目标系统的主要功能和行为，以便准确、完整地识别系统的 需求； 图4 - l 统一建模语言组成 f i g 舢1l m li m p i 锄e n 拓嘣o n 通过对用例模型的分析，从用例的描述中识别反映问题域本质的类和对象，并利用 u m l 的类图以及类之间的关系揭示系统的结构和组成； 利用u m l 动态模型中的顺序图、协作图、状态图和活动图描述系统结构元素的动 态特性和行为。 1 4 广西大掌司l 士掌位论文 蓉于窜啦乏辑的城市路灯控制器的实现 4 1 3 操作系统选择 操作系统的选取也同样关系到整个控制器的总体性能，起到了举足轻重的作用。而 在工业领域，控制的实时性也就显得格外的重要，它不仅要求进行实时数据采集和控制， 还需要将设备状态和传感器的信息等在显示屏上实时显示。目前国内外主要的几个嵌入 式操作系统有：美国风河公司的v x w o r l ! 【s ，微软的w i n c e ，3 c o m 公司的p a l mo s 和嵌 入式l i n u ) 【。这些嵌入式操作系统各有各的特点： v x w r o r 】b 是美国w i n d 融懈s y s t e m 公司( w r s ) 推出的一个实时操作系统。 v x w b d ( s 是专门为嵌入式而定制的，实时性非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、 进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效。最近几年它在嵌入式系统市场中占 有率一直排名第一位。 核心板 正c 运行系统 向与硬什无关高 l 系统i 的系统软件 i 协议栈 禹匝蕊珂碉 1 i 与硬件相关的驱