任定芳

【摘 要】公路隧道在公路系统中一直占有不小的比例，而隧道照明是隧道工程不可分割的一部分。隧道由于其结构的特殊性，隧道照明与传统的道路照明相比有其特殊的地方。隧道内自然光照条件差，全天补光照明能耗高，隧道的入口段和出口段出现“黑洞”“白洞”现象，亮度需求不一致。为解决这些问题，设计开发了隧道回路调光控制器，根据使用环境的变化实时调整隧道灯亮度，节省了能耗，达到了节能减排、减少隧道运营费用的目的。

【关键词】回路调光控制器;隧道照明;嵌入式实时操作系统

【中图分类号】U453.7 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）07-0053-03

0 引言

随着经济的快速发展，市政道路建设规模越来越大，隧道建设的规模也随之越来越大，而隧道照明是隧道工程不可分割的一部分，其技术需求也越来越高。隧道照明可以改善隧道内路面照明状况，提高隧道内视觉享受，减轻驾驶员疲劳，有利于提高隧道通行能力，对隧道的交通安全起着至关重要的作用。长期以来，如何提高照明效率、节约能源、降低成本、保障交通安全，一直是人们研究隧道照明的主要问题，至今已取得了一定的成果。

1 隧道照明亮度要求

隧道由于其结构的特殊性，隧道照明与传统的道路照明相比有其特殊的地方：①隧道内由于其自然光照条件差，为了保证行车的安全，洞内必须全天24 h都提供补光照明，因此隧道在运营时会有很高的电费成本，需要有切实可行的降低能耗的方案。②隧道的入口段和出口段为避免出现“黑洞”“白洞”现象，亮度设置与洞内的不一样。

2 隧道回路调光控制器设计

为解决隧道照明存在的安全隐患、无效照明导致的能源浪费，以及降低能耗减少运营成本，提供良好的、舒适的行车环境，设计了一款可以根据使用环境的变化实时调整隧道灯亮度的基于STM32F103的隧道回路调光器。隧道照度分布如图1所示。

2.1 硬件设计

隧道回路调光控制器以STM32F103C8T6单片机为核心，结合AC-DC电源转换电路，DC-DC电源转换电路、RS485通信电路、0～10 V连续可调输出电路形成完整功能整体，其硬件结构框图如图2所示。

（1）STM32F103C8T6是意法半导体推出的以cortex-M3为内核的中性能单片机，主频为72 MHz，拥有20 KB的片内SRAM和64 KB的片内flash，可以满足如freeRTOS、ucOSII、RT-Thread等嵌入式实时操作系统的资源需求。此外，STM32F103C8T6的外设也非常丰富，提供了3路通用异步串行接口，2路SPI接口及4个通用的定时器，可以完全满足调光控制器所需的外设要求。

（2）AC-DC电路的作用是将220 V的交流市电转换为控制器所需要的直流电源，AC-DC的转换采用的是明纬电源的IRM-30-12型开关电源，IRM-30-12是一款专门针对工业领域的开关型电源，具有体积小、能量密度高、宽幅电压输入、耐候性能好等特点，电源经过灌胶处理后具有一定的防水能力，可以工作在-30～85 ℃的温度范围，同时满足EN55022 classB的标准，非常适合于调光控制器这种在户外使用的工作场景。

（3）RS485接口是隧道灯回路调光控制器的通信接口，控制器通过RS485接口与上层控制器通信。RS485是一种在工业领域常用的半双工通信总线，采用差分方式传输信号，抗干扰能力强，传输距离远，因此非常适合应用于工作环境在户外的回路调光控制器上。RS485接口电路使用的是致远电子的隔离RS485收发器，型号为RSM485PHT，具备以下特点：采用电源和信号线双隔离的方式，隔离电压高达2 500 V DC，带载能力强，可以带载128个节点，体积紧凑，有利于减少产品的尺寸，同时隔离器做了灌胶处理，因此具备一定的防水能力，工作环境温度为-40～85 ℃，可靠性高。

（4）DC-DC电路的作用是将AC-DC电路输出的直流电压转换为控制器其他工作电路所需的直流电压。本设计中AC-DC电路的输出是12 V DC，除0～10 V连续可调输出电路外其他的电路均使用3.3 V直流电压，因此需要一个能将12 V DC转换为3.3 V DC的电路，DC-DC的转换可以使用两种不同原理的装换电路：一种是线性稳压电路，这类电路的输出纹波好，常用于模拟电路的电源电路上，但是这类电路的效率不高，在大功率的应用场景下发热明显，同时电路的体积大。另一种是开关型转换电路，这类电路的转换效率高，可达90%以上的转换效率，在大功率的应用场景下发热不明显，同时小体积的电路就可以提供大功率的输出。本设计中，转换电路的输入电压为12 V DC，输出电压是3.3 VDC，如果采用线性稳压电路进行转化，会有8.7 V DC的压差落在稳压电路上，因此转换效率低，功率大时发热明显，电路的稳定性变差。所以转换电路采用的是开关型转换电路，转换芯片采用的是德州仪器的TPS54229，该芯片的输入电压范围为4.5～18 V DC，输出电压范围为0.76～7 V DC，涵盖了输入的12 V DC和输出的3.3 V DC，满足电路的电压需求。同时，TPS54229还是同步降压型芯片，工作效率高，可以节省掉非同步降压型电路所需的续流二极管，在降低了硬件成本的同时减小了电路的体积。

（5）0～10 V連续可调输出电路是调光控制器的核心电路之一，其功能是输出一个驱动能力为1A的模拟电压，电压的范围为0～10 V，调光电路的输出与隧道灯的开关电源的0～10 V调光线连接在一起，开关电源根据调光线上的电压值调整电源的输出功率，以实现调整隧道灯的亮暗。调光电路接收STM32F103C8T6传送的PWM信号，并根据PWM信号的占空比线性地调整模拟电压的幅值，当占空比为0时，输出0 V，当占空比为100%时，输出10 V。PWM信号首先通过无源的低通滤波电路转换为直流电压，直流电压再通过运算放大器LM358经过3倍线性放大输出给驱动电路。驱动电路根据参考电压进行功率输出，驱动电路采用了以TL494芯片为核心的方案，TL494常应用于开关电源中，是一种固定频率脉宽调制电路，内置了5 V参考基准电压源和线性锯齿波振荡器，外部只需要一个电容和一个电阻设置开关频率。TL494驱动方案所需的外围电路器件少，可靠性高。

2.2 软件设计

2.2.1 嵌入式实时操作系统

隧道回路调光控制器采用了基于嵌入式实时操作系统的方式进行设计，与传统的前后台设计方式相比，有如下几点好处：①嵌入式实时操作系统大多采用抢占式内核，因此可以保证系统最先响应优先级最高的任务线程，而传统的前后台设计方式，采用的是在中断服务程序中设置标志位，再在主程序中轮询处理各个业务逻辑，无优先级可言，不能保证紧急事务的优先处理。②基于操作系统设计时，可以将整个系统的业务逻辑拆分多个线程，各个线程之间耦合度低，便于修改，也便于多人协同开发，而传统的前后台设计模式各个业务逻辑之间耦合度较高。

2.2.2 RT-Thread嵌入式实时操作系统

本设计中采用的是RT-Thread嵌入式实时操作系统，RT-Thread是一款优秀的国产实时操作系统，基于Apache许可证2.0版本授权，可以用于商业应用。RT-Thread与freeRTOS、ucOSII等同类型的操作系统相比有如下几点优势：①具有丰富的已移植的功能组件，如网络协议栈lwip，文件系统littlefs、Fatfs、UFFS等，工业领域常用的通信协议Modbus-RTU等，开发人员可以根据项目的需求进行配置，大大缩短了项目开发时间。②RT-Thread采用类似于Linux的menuconfig的图形界面进行系统配置，并可以跟意法半导体官方的底层配置工具STM32CubeMX相结合，易用程度高。③系统符合POSIX标准，便于移植一些Linux系统上的软件。④RT-Thread提供一个shell交互界面，便于开发过程中进行调试。

2.2.3 调光控制器的软件工作原理

调光控制器的软件工作流程如图3所示。

（1）调光控制器上电后首先进行硬件的初始化，设置系统时钟，初始化通用异步串行控制器、SPI接口、定时器、PWM。

（2）初始化文件系统littlefs，从配置文件中读取出系统的配置信息，根据地址信息及通用異步串行控制器的波特率、数据位宽、结束位宽、奇偶校验方式配置RS485接口电路及Modbus-RTU协议。

（3）根据配置信息设置0～10 V调光电路的输出电压，将与调光控制器相连接的隧道灯调整到指定的亮度。

（4）侦听RS485接口上上层控制器发出的Modbus-RTU指令，根据收到的指令类型进行相应操作，收到调光指令则首先将指令中包含的目标亮度值保存至配置文件中，然后再将0～10 V调光电路的输出调整至指定的幅值，收到查询指令则将当前调光控制器的输出亮度值返回给上层控制器，收到配置指令则将相应的配置参数保存到配置文件中，并根据配置参数设置调光控制器的相应操作。

（5）中断服务程序用于处理地感线圈的触发信号，如果接收到中断信号，则在中断服务程序中发出消息，调光服务程序接收到信息后将0～10 V调光电路的输出调整到配置参数指定的幅值，经过预设的触发延迟时间后，调光服务程序再将0～10 V调光电路的输出恢复到触发前的幅值。

3 结语

本隧道调光控制器采用了32bit的精简指令集MCU作为系统的控制单元，基于RT-Thread嵌入式实时操作系统，结合Modbus-RTU通信协议、Littlefs文件系统完整地实现了与上层控制器的数据收发与指令控制，配置参数的存储与读取，以及用于隧道灯调光的0～10 V电压输出，实现了根据使用环境的变化实时调整隧道灯亮度，提高了照明效率，节省了能耗，达到了节能减排和减少隧道运营费用的目的。

参 考 文 献

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[4]王阳，秦会斌，胡叶舟.隧道变色温照明控制系统设计[J].软件导刊，2018（9）.