本文關鍵詞：基于STM32F030和電力載波的電氣實驗設備電源管理設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

 在高校實驗室中，一般有利用電氣方面的實驗設備進行教學，或提供電氣實驗設備給學生進行實驗操作。在管理電氣實驗設備時，存在的一些現(xiàn)象，比如需要對每臺設備的使用情況都進行記錄，個別學員跨機操作等，使得當設備較多時，管理工作量大，難度增加。

對每臺電氣實驗設備嵌入一個電源管理單元模塊，由主控設備或稱之為主控器發(fā)出控制命令，電源管理模塊接收并響應。完成對其所在的電氣實驗設備電氣運行狀態(tài)進行采集，控制該實驗設備電源通斷，響應學員刷卡請求等功能，從而可以實現(xiàn)對電氣實驗設備運行狀態(tài)自動記錄，學員刷卡操作。電氣實驗設備嵌入了電源管理模塊，達到減少電氣實驗實訓設備管理的工作量，智能管理的目的。

使用電力載波通信，是因為該技術的最大特點是不需要重新架設網(wǎng)絡，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞。電力載波通信即PLC，是英文Power line Communication的簡稱。電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線上，將模擬或數(shù)字信號通過載波調制方式，進行傳輸?shù)募夹g。

1 系統(tǒng)拓撲結構

本文設計的電源管理模塊是嵌入到電氣實驗設備內(nèi)部的，通過電氣實驗設備使用的電源線聯(lián)連到主控器，從而實現(xiàn)異地控制。在有多臺電氣實驗設備時，系統(tǒng)由多個電源管理模塊和一個主控器組成的，其組成的拓撲結構如圖1所示。

從圖中可以看出，完成電源的管理需要一個或多個電源管理模塊，一個主控器。在該結構中，嵌入的電源管理模塊一面要通過電源線路與主控器進行聯(lián)絡，接收和執(zhí)行主控器發(fā)過來的命令，一面要對電氣實驗設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，接收刷卡信息，控制電氣實驗設備電源的通斷。

主控器發(fā)出信息收集命令、允許開放實驗設備電源、實行顯示各實驗設備當前狀態(tài)、記錄使用情況，可以通過通信口與微機聯(lián)接，實現(xiàn)微機監(jiān)控操作。

嵌入的電源控制模塊使用STM32系列32位ARM微控制器作為控制部件，通過本身自帶的A/D轉換器進行模擬通道切換、啟動采樣、采樣數(shù)據(jù)的保存等，再通過電力載波通信將電源的電壓、電流、電源通斷等信息傳給主控器。

2 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

嵌入的電源控制模塊根據(jù)其要完成的功能任務，模塊電路由電力載波通信模塊與接口電路、ARM微控制器與A/D采集電路、實驗設備電源通斷驅動電路、拔碼開關電路、RFID讀卡模塊等幾部分組成。主控器硬件電路與之稍有不同，少了通斷驅動電路，多了人機界面以及與微機通信的串行接口電路，之后不再對其進行描述。嵌入的電源控制模塊其系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

2.1 ARM微控制器與A/D采集電路

微控制器采用型號為STM32F030的32位芯片。它是意法半導體(ST)公司生產(chǎn)的STM32 F0系列微控制器其中一款，基于48 MHz的ARM Corte x—M0處理器內(nèi)核，內(nèi)置12位1 Msample/s模數(shù)轉換器、1.2 V內(nèi)部參考電壓電路、通信外設、溫度傳感器和定時器。其中定時器支持ADC同步、實時管理和電機控制脈寬調制(PWM)時序功能。一向是以高性能、低價格為最大賣點。

該芯片所帶的A/D轉換器的模擬信號通過PA口(PA0-PA1)輸入，經(jīng)內(nèi)部通道選擇并送入A/D轉換器。由于單片機內(nèi)部集成了A/D轉換，所以外部電路可以大大簡化，前級只須做好緩沖放大，將信號電平控制在0 V～3.3 V之間即可。

2.2 實驗設備電源通斷驅動電路

電源控制模塊收到主控器發(fā)出允許開放設備電源命令之后，等待并成功獲得RFID刷卡信息，回送主控器，主控器經(jīng)過授權，發(fā)送立即開放設備電源命令。電源控制模塊輸出接通實驗設備電源的控制信號給通斷驅動電路，驅動交流接觸器，給實驗設備通電。

實驗設備通電過程，驅動信號輸出的高電平先送給信號放大三極管，經(jīng)放大再送給光耦可控硅，使其導通，將市電接通到交流接觸器，從而開通實驗設備電源。

關閉電源時，驅動信號為低電平，它經(jīng)三極管后，停止導通光耦，交流接觸器失電，斷開實驗設備電源。

2.3 電力載波通信模塊與接口電路

電力載波通信模塊采用了型號為BWP11B的模塊電路，該模塊使用16 V/5 V的雙電源供電模式，，是一款嵌入式電力線調制解調器或電力線MODEM，它所使用的載波中心頻率為200 kHz，載波傳輸波特率在100 bps～600 bps之間有幾個檔可設置。信息傳輸時，采用半雙工通信方式。模塊采用擴頻編碼方式，有著較高的抗干擾能力，在電力線路為輕負載條件時，傳輸距離可大于1 000 m。如需傳輸更遠距離，可使用中繼方式。其載波模塊接口如圖3所示。

其中模塊引腳1為V+，是載波功放電源，使用電壓范圍9 V～18 V。2腳、3腳為模塊提供工作電源。4腳為模塊使能輸入端，為了讓模塊處于工作狀態(tài)，該引腳接高電平或者懸空，否則，模塊串口處于高阻態(tài)。6、7腳是與微控制器通信的串口收發(fā)線。8腳復位輸入。L、N為電力線接口，與交流線連接時，可以不區(qū)分零線與相線，不影響正常通訊。另外，模塊中采用三只發(fā)光二極管指示模塊工作狀態(tài)。

2.4 設備識別與設備使用人員識別

多個嵌入了電源控制模塊的實驗設備掛在同一段電力線上時，為讓主控集中器能辯識出是哪一個設備，在電源控制模塊硬件電路中使用了拔碼開關。每臺設備的拔碼開關處于不同的狀態(tài)，這就相當于每個設備有了一個自己與眾不同的身份ID。主控集中器需要哪一個設備發(fā)出命令時，需在請求的數(shù)據(jù)中要指明設備的識別碼，也就是拔碼開關的狀態(tài)，這樣雖然所有設備都是可以收到了，但只有識別碼相同的設備才會響應。

對于是否授權給當前實驗人員操作實驗設備，電源控制模塊還加入了RFID讀卡模塊。使用設備之前，需刷卡操作，電源控制模塊獲得卡片信息，發(fā)送給主控器，主控器經(jīng)由實驗管理人員授權，或卡片信息在允許使用之列，主控器會發(fā)出立即通電命令，開通實驗設備電源。從而避免無關人員隨意使用設備的情況。使用RFID方式，是因為其具有無線不需接觸，無磨損，維護成本低等特點。

  本文關鍵詞：基于STM32F030和電力載波的電氣實驗設備電源管理設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。