蔣元星，邵忠輝

● （1. 浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2. 浙江欣亞磁電發(fā)展有限公司，浙江 舟山 316000）

基于M054芯片的船用數(shù)字調(diào)光器設(shè)計(jì)

蔣元星1，邵忠輝2

● （1. 浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2. 浙江欣亞磁電發(fā)展有限公司，浙江 舟山 316000）

介紹了一種船舶儀表背光照明數(shù)字調(diào)光器的設(shè)計(jì)，主要包括MCU 微處理器控制模塊、控制輸出模塊、RS485通信模塊、輸入與顯示模塊、限流與保護(hù)模塊等。采用M054微控制器輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號來控制背光照明燈的亮度，實(shí)現(xiàn)了PWM全數(shù)字調(diào)光。經(jīng)過實(shí)船使用測試，該調(diào)光器性能優(yōu)越、可靠性高。

數(shù)字調(diào)光器；M054微控制器；脈寬調(diào)制(PWM)；RS485通信

0 引言

為了保證安全航行，現(xiàn)代船舶駕駛臺裝有大量的自動(dòng)化駕控設(shè)備與儀表。船舶夜間航行時(shí)為了不使眾多設(shè)備背光照明干擾駕駛員的視線，船舶規(guī)范要求所有安裝于駕控臺的儀表、設(shè)備必須安裝調(diào)光器。傳統(tǒng)的船用設(shè)備背光照明調(diào)節(jié)都以大功率繞線式可調(diào)電阻為主，體積笨重，發(fā)熱嚴(yán)重，效率低，且不具有遠(yuǎn)程控制接口。

本文介紹一種用于船舶儀表背光照明的數(shù)字調(diào)光器的設(shè)計(jì)，由具有ARM結(jié)構(gòu)的M054微控制器產(chǎn)生的PWM（脈寬調(diào)制）信號來控制背光照明燈的亮度。從實(shí)際使用要求出發(fā)，增加了限流與短路保護(hù)、RS485通信模塊，所設(shè)計(jì)的調(diào)光器性能優(yōu)越、可靠性高，已經(jīng)由浙江欣亞磁電發(fā)展有限公司生產(chǎn)并在船上應(yīng)用。

1 數(shù)字調(diào)光器的設(shè)計(jì)原理

采用PWM可調(diào)占空比輸出的方式來控制負(fù)載的平均有效電壓。該方法的基本思想就是利用單片機(jī)具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整單片機(jī)的PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比[1]。PWM信號占空比是信號高電平時(shí)間與周期之比，其調(diào)制頻率是周期的倒數(shù)。

根據(jù)船舶駕駛儀表背光燈的實(shí)際要求，本調(diào)光器控制對象為30W以下的直流燈泡以及新型節(jié)能LED，直流24V、負(fù)載最大電流1.5A。用M054微控制器產(chǎn)生300Hz頻率的占空比可調(diào)脈沖信號，控制功率輸出管驅(qū)動(dòng)負(fù)載，占空比0%～100%可調(diào)，將光源亮度分為10檔(0級～9級)來精確地進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)，并具有記憶功能。

調(diào)光器的電路結(jié)構(gòu)主要組成為：LED數(shù)碼管顯示部分、按鍵輸入部分、CPU控制與處理部分、開關(guān)控制輸出部分、過流檢測和信號調(diào)理部分、485通訊接口部分以及電源部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)在輸電時(shí)CPU讀取用戶設(shè)定的亮度值，輸出一定頻率和相應(yīng)占空比的脈沖給開關(guān)控制輸出單元，驅(qū)動(dòng)儀表背景燈。電流檢測單元實(shí)時(shí)檢測電流大小，并反饋給CPU的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，根據(jù)電流的大小控制輸出占空比的值來調(diào)節(jié)亮度，形成一個(gè)電流閉環(huán)系統(tǒng)，使亮度穩(wěn)定。如果電流信號超出了短路設(shè)定值，立即停止輸出，保護(hù)輸出開關(guān)管的過流擊穿，增加了系統(tǒng)的可靠性。LED數(shù)碼管顯示，指示用戶設(shè)定的亮度值以及提示短路保護(hù)。

2 數(shù)字調(diào)光器硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 控制器芯片選擇

綜合分析各種主流嵌入式微控制器性價(jià)比，結(jié)合本調(diào)光器控制需求，系統(tǒng)選用新唐 NuMicro M051? 系列的M054 LBN為主控制器。該芯片為ARM? Cortex?-M0內(nèi)核的32位微控制器，成本僅相當(dāng)于傳統(tǒng)的8位微控制器，主要性能[2]為：ARM? Cortex?-M0內(nèi)核最高運(yùn)行50MHz、24位系統(tǒng)定時(shí)器、單指令32位硬件乘法器，嵌套向量中斷控制器NVIC可設(shè)置4個(gè)優(yōu)先級；16kB Flash存儲器用于用戶代碼的存儲，4kB Flash數(shù)據(jù)存儲器（Data Flash）用于保存用戶的數(shù)據(jù)，4kB Flash ISP引導(dǎo)代碼存儲器（LDROM）用于保存用戶ISP方式的程序代碼，4kB字節(jié)內(nèi)建SRAM；在LQFP-48管腳封裝中最多支持40個(gè)通用I/O端口，并共享著特殊功能。40個(gè)引腳分配在P0、P1、P2、P3、P4五個(gè)口上，每個(gè)口最多8個(gè)引腳；4組32位的定時(shí)器, TIMER0～TIMER3；12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，轉(zhuǎn)換速率達(dá)760k SPS，最多8通道單端輸入或4通道差分輸入，支持單次轉(zhuǎn)換模式、突發(fā)模式、單周期掃描模式、連續(xù)掃描模式；內(nèi)建4個(gè)16位PWM產(chǎn)生器，可輸出8路PWM或4對互補(bǔ)PWM。

2.2 PCB 板設(shè)計(jì)

2.2.1 原理圖繪制

采用PROTEL軟件設(shè)計(jì)繪制原理圖，其主要組成部分為：1）CPU控制；2）按鍵處理；3）數(shù)碼管顯示；4）蜂鳴器控制；5）電源；6）主回路輸出控制；7）RS485接口；8）過流保護(hù)。

CPU控制部分主要完成PWM波形的產(chǎn)生，電流信號處理并控制占空比，控制LED數(shù)碼管的顯示，同時(shí)監(jiān)控鍵盤的輸入以便完成系統(tǒng)功能設(shè)定等操作。CPU根據(jù)按鍵輸入選擇亮度調(diào)節(jié)的PWM值，根據(jù)AD(模擬數(shù)字)采樣到的過流值與設(shè)定的值比較確定是否需要降低功率或者保護(hù)輸出，同時(shí)實(shí)時(shí)接受上位機(jī)輸出的遠(yuǎn)程控制命令。整個(gè)微控制系統(tǒng)中采用了無源晶振的形式產(chǎn)生MCU所需要的時(shí)鐘信號。控制部分電路如圖2所示。

圖2 CPU控制部分電路

系統(tǒng)的復(fù)位采用了輸電復(fù)位的形式，輸電過程中微控制器復(fù)位引腳保證10ms以上的低電平就能可靠的將微控制器復(fù)位。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)輸入鍵以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定，每個(gè)鍵占用一個(gè)端口分別接P1.5和P1.6口。顯示單元主要完成用戶輸入設(shè)定的亮度檔位值顯示，范圍為 0～9。在外部線路短路時(shí)，將以2Hz的頻率閃爍，提示工作人員注意。LED指示的亮度跟著調(diào)節(jié)檔位的增大而變亮。蜂鳴器主要用于按鍵按下時(shí)的提示音，以及過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)的報(bào)警提示。電源穩(wěn)壓采用美國國家半導(dǎo)體公司的開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2576-5.0，提供CPU穩(wěn)定的工作電壓及電流采樣部分信號調(diào)理的工作電源。

輸出控制部分主要控制燈的亮與滅。由于控制的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人的視覺惰性的臨界頻率 20Hz，所以看不到背景燈的閃爍。驅(qū)動(dòng)管TIP142是大功率的達(dá)林頓管，Ice電流為5A，可以有效的驅(qū)動(dòng)負(fù)載1.5A的燈泡。D3是極性保護(hù)二極管，電阻R9是電流采樣電阻，電路如圖3所示。過流保護(hù)信號調(diào)理主要由LM358放大電路和電流采樣電阻R9等組成，工作電流通過0.22歐姆電阻R9后產(chǎn)生0V～0.3V的微小的電壓，通過LM358放大器放大10倍后輸出0V～3V的電壓送給AD采樣端口。

圖3 輸出控制

RS232/422/485 都是串行數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)，RS232 是非平衡傳輸，RS422/485是平衡傳輸，RS485硬件設(shè)計(jì)簡單、控制方便、成本低廉，支持遠(yuǎn)距離多機(jī)通信[3]。為了滿足與其他設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制調(diào)光需要，本調(diào)光器特別增加了 RS485通訊接口，電路圖如 4所示。其中TVS1～TVS3是起保護(hù)作用，防止通訊線上的涌浪電壓等。

圖4 RS器485通訊接口

2.2.2 PCB繪制

印刷電路板PCB分成輸出板和CPU板兩個(gè)部分。電源、輸出控制、電流信號調(diào)理以及485通訊組成一塊輸出板，如圖5所示。CPU部分、按鍵、LED顯示、復(fù)位、時(shí)鐘等組成另一塊CPU板，如圖6所示。

圖5 輸出板PCB圖

圖6 CPU板PCB圖

3 數(shù)字調(diào)光器軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

整個(gè)程序分成按鍵輸入、PWM產(chǎn)生、AD采樣及過流處理、串口通訊處理4個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，程序主流程圖與任務(wù)調(diào)度如圖7所示。系統(tǒng)送電后完成初始化工作，由調(diào)度程序處理任務(wù)的調(diào)度運(yùn)行，按照各任務(wù)的時(shí)間運(yùn)行各任務(wù)處理函數(shù)。

圖7 程序流程與任務(wù)調(diào)度流程圖

3.2 主要源代碼片段

本項(xiàng)目利用Keil的μVision開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)工程管理、程序的編寫、編譯、調(diào)試以及下載。而調(diào)試或下載程序到目標(biāo)板上則需要調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序的支持，Nuvoton為μVision提供了Nu-Link調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序，它主要用來輔助μVision調(diào)試Cortex-M0系列芯片，在μVision的工程配置選項(xiàng)里選擇了Nu-Link調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序后，就可以進(jìn)行程序的調(diào)試[4]。

(1) PWM脈沖函數(shù)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的船用數(shù)字調(diào)光器通過由ARM結(jié)構(gòu)M054微控制器產(chǎn)生的PWM信號來控制背光照明燈的亮度。調(diào)光器具有直觀的LED數(shù)碼管顯示及短路提示，智能化的軟啟動(dòng)和故障重復(fù)，限流保護(hù)以及輸出短路保護(hù)功能，光強(qiáng)輸出穩(wěn)定，其亮度可數(shù)字化線性調(diào)節(jié)并具有記憶功能等特點(diǎn)，同時(shí)還可以通過 RS485通信擴(kuò)展各種遠(yuǎn)程控制接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)光。經(jīng)過實(shí)船使用測試，該調(diào)光器具有功能強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。

[1] 魏雅. 基于PWM 的LED調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 無線互聯(lián)科技, 2012(8): 113-115.

[2] 新唐科技(Nuvoton). NuMicro M051? BN系列-M052/M054系列規(guī)格書V1.01[M]. 新竹:新唐科技(Nuvoton),2012.

[3] 蔣元星, 邵忠輝. 多冗余輸出的數(shù)據(jù)采集處理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010(11): 97-99.

[4] 新唐科技(Nuvoton). NuMicro Cortex-M0 Keil μVision驅(qū)動(dòng)之Nu-Link用戶手冊V1.03[M]. 新竹：新唐科技(Nuvoton),2010.

Design of Digital Dimmer for Ship Based on M054 Chips

JIANG Yuan-xing1, SHAO Zhong-hui2
(1. Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology , Hangzhou 311231, China; 2. Zhejiang Xinya Magnetic-electricity Development Co., Ltd., Zhoushan 316000, China)

The design of backlit digital dimmer for a ship instrument is introduced, mainly including the MCU microprocessor control module, control output module, RS485 communication module, input and display module, current limiting and protecting module, etc. M054 microcontroller outputs pulse width modulation (PWM) signal to control the brightness of backlight lamp. And the PWM full digital dimming is achieved. After the ship test, the performance of the dimmer is superior and the reliability is high.

digital dimmer; M054 microcontroller; pulse-width modulation( PWM); RS485 communication

U665.26

A

蔣元星（1970-），男，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及相關(guān)軟件技術(shù)。