《电子技术应用》

地铁车库恒温集控系统设计

2016年电子技术应用第8期 作者:姚仲敏1,何 昫1,翟菲菲2
2016/12/5 14:45:00

  姚仲敏1,何  昫1,翟菲菲2

  (1.齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院,黑龙江 齐齐哈尔161006;2.天津市数城科建科技有限公司,天津300190)

  摘  要: 针对地铁车库燃气辐射供暖系统”供暖方式,基于STM32和CAN总线技术,设计了一种既可单台运行也可多台联合群控运行的智能恒温集控系统。该系统由PC客户端、信息集控器、温控器和温度采集器等四部分组成。对系统方案、硬件设计和软件设计进行了详细介绍,并给出了实验测试结果。系统可实现对地铁供热设备的集中监控、独立设置、自动运行、节点扩展、功耗检测和故障保护预警等功能,具有很好的实时性和稳定性。

  关键词: 地铁车库;恒温集控;燃气辐射供暖;STM32;CAN总线

0 引言

  地铁作为一种安全、快捷、高效、环保的交通工具,已成为许多大城市解决交通问题的首要选择[1,2]。目前地铁已成为我国城市公共交通的重要方式,并逐渐成为城市现代化建设的重要符号。我国有40余个城市正在进行地铁的建设和规划,到2020年,我国城市地铁里程将达到近6 000 km[1]。

  目前,地铁车库的供暖主要采用燃气辐射供暖和散热器+暖风机供暖两种主要的供暖方式[3,4]。地铁车库供暖常用的恒温控制方法是在每台供暖设备设置独立的控制端进行温度控制,随着运营时间的增长,可能会出现各种各样的问题,需要员工定期对采暖设备和线缆故障进行逐一排检来保证其运行安全。由于车库场地大,所以巡查困难,每台供暖设备的温度控制端都需要人员专门去开关和设定,具体的温度需要现场测量和记录,耗费大量的人力物力。

  本文针对燃气辐射供暖方式,基于STM32和CAN总线技术,设计了一种既可单台运行也可多台联合群控运行的恒温集控系统,以实现对地铁供热设备的集中监控、独立设置、自动运行、节点扩展、功耗检测和故障保护预警等功能。

1 地铁车库恒温集控系统结构

  地铁车库恒温集控系统由PC客户端、信息集控器、温控器和温度采集器等四部分组成。PC客户端实现对车库供暖系统分区管理、温度上下限设定、实时数据和预警信息的显示。信息集控器实现多节点温度和温控信息的收发。温度采集器与温控器之间、温控器与信息集控器之间均使用CAN总线通信[5,6]。信息集控器和PC客户端之间的通信采用TCP/IP协议。地铁车库恒温集控系统网络拓扑如图1所示。

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图1  地铁车库恒温集控系统网络拓扑图

  系统启动时首先通过温控器设定燃气辐射供暖设备的启动温度下限、关闭温度上限和供暖设备功率,当被供暖厂房温度低于设定温度下限时,温控器开启燃气辐射供暖设备;当环境温度高于温控器设定的温度上线时,燃气辐射供暖设备停止运行。

2 硬件设计

  2.1 温度采集器设计

  温度采集器的温度采集芯片采用工业级的TMP75芯片。TMP75温度输出采用I2C数字接口,工作温度范围为-40 ℃~+125 ℃,工作电压为2.7 V~5.5 V,分辨率最高可设为0.062 5 ℃。CAN收发器采用具有电镀隔离的ISO1050芯片,ISO1050传输速率可达1 Mb/s,具有2500 VRMS隔离。电源模块采用TPS62175同步降压DC-DC转换器,具有4.75 V~28 V宽工作输入电压,可提供500 mA的输出电流。TPS62175第5引脚FB可设定芯片输出电压,依据公式R1=R2(Vout/Vref-1)和常用电阻阻值表,并为降低功耗和保证FB引脚的输入电流大于5 ?滋A,选择编程电阻V1=787 kΩ、R2=150 kΩ和FB参考电压Vref=800 mV,编程后的输出电压Vout=5 V。微控制器采用STM32F103RBT6,它具有20 KB SRAM、128 KB Flash、72 MHz主频以及I2C等多种接口,可以满足μC/OS-II的运行要求。I2C接口外接传感器TMP75,CAN接口外接ISO1050收发器。温度采集器的结构框图如图2所示。

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图2  温度采集器的结构框图

  在温度采集器和温控器上各设置一个120 Ω终端匹配电阻以减少回波反射,在CAN总线接口终端处添加SM712ESD静电保护二极管,增加浪涌防护能力[7]。

  2.2 温控器设计

  温控器主要完成接收传感器发送的温度数据、监控燃气辐射供暖设备运作以及与信息集控器数据交互等功能。温控器主芯片采用STM32F207VET6微控制器。该芯片为LQFP100封装,主频120 MHz,具有2路CAN接口、24通道12 bit ADC、2通道12 bit D/A、132 KB SRAM和1 MB Flash Memory。CAN总线接口的1路接口接温度采集器总线,另1路接信息集控器总线。功率检测电路是2路最大检测功率为4 000 W、输出0 V~3.3 V的模拟信号电路,其电流互感器TA1420-04额定输入电流20 A、输出电流5 mA,用IC法获得前级采样电压,通过LM358组成的全波精密整流电路和滤波电路获得直流输出电压信号。人机交互键盘为5独立按键键盘,显示器采用工业级LCD1602显示器;电路设计采用外部I2C串行接口存储器AT24C02,可保证温控器运行配置信息断电不丢失;温控器采用ISO1050CAN收发器和B0505S-1W隔离电源,可以降低车库中机车运行时对恒温集控系统的干扰,增加系统的稳定性。温控器结构框图如图3所示。

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图3  温控器结构框图

  2.3 信息集控器设计

  信息集控器的硬件电路采用成熟模块设计。信息集控器可以管理8个以上的类以及64个以上的节点设备,根据设计要求,本系统中一台信息集控器最多管理16台温控器。信息集控器有1路10/100 M以太网接口,1路全速USB2.0接口,一个SD卡槽,2路CAN总线接口,1个7寸TFTLCD液晶触摸屏。温控器可以随时接入信息集控器的CAN总线网络,并被信息集控器指定标识ID。

3 软件设计

  3.1 温度采集器从站软件设计

  恒温集控系统采用CAN2.0A标准,数据帧由7段组成,仲裁段有11位标识符[6]。依据CAN报文标准帧数据结构,编写发送一帧数据帧函数。

  根据意法半导体提供的驱动库编写温度采集器收发数据的程序。温度采集器采用μC/OS-II嵌入式操作系统,该系统是一个基于优先级调度的抢占式的实时内核,并在这个内核之上提供最基本的系统服务,如信号量、邮箱、消息队列、内存管理、中断管理等[8]。运用该系统创建3个任务:任务1发送CAN总线消息;任务2接收CAN总线消息;任务3读取温度信息并发送给主机。系统任务创建流程如图4所示,温度读取发送任务流程如图5所示。

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图4  从站系统任务创建流程

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图5  温度读取和发送流程

  3.2 温控器CAN主站软件设计

  每个温控器只侦听过滤3个标准帧ID标识符:标识符A用来侦听广播信息,标识符B用来建立和信息集控器间的通信,标识符C备用。每台设备接收的广播帧过滤器的设置固定统一。

  温控器是在μC/OS-II系统下运行的。系统开始创建6个任务,分别是CAN数据处理任务、CAN数据发送任务、按键处理任务、人机交互任务、功率检测任务和LCD数据更新任务。CAN数据处理任务是核心任务,它的消息邮箱由CAN总线接收中断函数发送。

  温控器系统任务程序创建流程如图6所示,CAN数据处理任务程序流程如图7所示。

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图6  温控器系统任务创建程序流程

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图7  CAN数据处理任务程序流程

  3.3 信息集控器软件设计

  信息集控器通过广播帧为每台入网的温控器设备分配唯一ID过滤标识符。信息集控器软件主要对PC发送的数据和温控器发送的数据进行处理。PC发送的信息为更改温控器的配置信息和请求更新数据信息。信息集控器转发配置信息至每台注册过的温控器,并接收梳理每台温控器发送的实时控制信息,然后再把整理好的信息转发给PC。

  信息集控器系统软件在运行时主要处理8个系统任务和1个硬件中断任务。μC/OS CORE开启后系统主要任务运行流程如图8所示。

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图8  主要任务运行流程

  3.4 上位机软件设计

  基于Visual Studio 2012设计了上位机软件,即地铁车库恒温集控系统监控软件。上位机软件可以实现对车库供暖系统分区管理,每个温控器监控设备开启温度或停止温度的上下限温度限制设定,风机的运行状态监测、能耗统计、故障报警和保护,具有实时数据和预警信息的多重显示方式,可拓展检测其他功能传感器数据(本系统增加了CO2传感器数据)。该软件还设计了和其他系统进行数据交互的接口。

  图9为地铁车库恒温集控系统实时数据曲线图。纵轴是温度,量程从10 ℃~20 ℃;横轴是时间轴。在本次测试中,温度上限设置为18 ℃,下限设置为15 ℃。设定带方块的曲线为曲线A,带三角的曲线为曲线B。曲线A是办公区域的燃气辐射供暖设备运作产生的温度监控曲线,曲线B是由大厅的燃气辐射供暖设备运作产生的温度监控曲线。办公区域的热源相对复杂,有大功率电热暖气,大厅的热源相对单一,但是两个区间可通过玻璃门联通。燃气辐射供暖设备是9点开启,软件监控至16点45分。从图中可以看出,这两个区域的温度比较稳定地控制在15 ℃~18 ℃范围内。

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图9  地铁车库恒温集控系统实时数据曲线图

4 结论

  本文针对燃气辐射供暖系统的供暖方式,基于STM32和CAN总线设计了一种新型的地铁车库恒温集控系统。实验测试结果表明:温度采集器能够准确地采集传输实时温度,温控器可以控制温度在给定的温差内波动,信息集控器可以实时处理来自PC和温控器的信息,PC软件可以独立或批量管理设置温控器运行状态,实现了对地铁供热设备的集中监控、独立设置、自动运行、节点扩展、功耗检测和故障保护预警等功能,具有很好的实时性和稳定性。本套系统适用于机车车库、大面积的厂房等使用燃气辐射供暖系统供暖的场所。系统中所有的数据都为数字信息,增强了系统的可扩展性和兼容性。

  参考文献

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  [3] 杨秀娟.高大空间地铁车库供暖方式分析[J].中国新技术新产品,2012(7):187.

  [4] 孟磊,霍苗苗,宗立明,等.地源热泵技术在地铁车库内使用的可行性研究[A].中国土木工程学会.中国城市轨道交通关键技术论坛文集——高水平地建设城市轨道交通[C].北京:中国科学技术出版社,2013:320-322.

  [5] 张坤鳌.基于CAN总线的高压变频系统的应用研究[J].仪表技术与传感器,2015(10):82-84.

  [6] 万晓凤,张燕飞,余运俊,等.基于嵌入式的纯电动汽车CAN总线通信及实现[J].计算机测量与控制,2013,21(10):2795-2798.

  [7] GALAL S,RAZAVI B.Broadband ESD protection circuits in CMOS technology[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2003,38(12):2334-2340.

  [8] 田明,徐平,黄国辉,等.基于STM32和μC/OS-Ⅱ的USB数据采集系统[J].机电工程,2012,9(4):482-485.

  


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