智能建筑现场控制器的设计

智能建筑现场控制器的设计
公共建筑物的内部有大量的电气设备，如空调设备、给排水设备、照
明设备等，这些设备多而散：多，即数量多；散，即这些设备分散在
各个层次和角落。

建筑智能化是通过安装于现场设备附近的现场控制
器对建筑内众多电气设备进行自动控制、监视、测量，实现综合协调、运行管理和维护保养工作，提升整个建筑内部设备运行的效率，减少
能源消耗，同时使管理者随时掌握设备状态运行情况、能量消耗情况
及各种参数变化情况［1］。

智能建筑现场控制器为建筑物所有电气设
备提供安全、可靠、节能、长效运行的保证，直接决定了整个建筑智
能化的水平，因此设计一款具有功能可靠，通用性好，组网方便，传
输速率高的智能建筑现场控制器有着重要的实际意义。

1智能建筑现场控制器的设计方案
智能建筑现场控制器是是安装于监控对象附近的小型专用控制设备，
本文采用意法半导体推出的32位Cortex－M3结构的芯片
STM32F107VCT6作为主控芯片，设计了智能建筑现场控制器，设计方案图如图1所示，设计了通过按键和液晶显示进行功能参数设定，并由
数据存储电路保存设置的参数；设计了通过模拟／数字输入输出接口
和RS485总线接口对现场普通I／O仪表和智能仪表的信号互连，完成
信息数据的采集、传输、转换和设置，可针对现场设备的控制要求实
现如PID算法，完成对现场设备的监测与调控功能；设计了可与远程
监控PC机及其他现场控制器及以太网设备进行以太网数据通信，实现
远程监控和系统组网。

2现场控制器与仪表接口电路的设计
因为智能建筑现场使用的仪表可分为普通I／O仪表和RS485智能仪
表两种，现场控制器与现场仪表的信号接口电路也分为适用于普通I／
O仪表的数字／模拟输入输出接口电路和适用于RS485智能仪表的
RS485总线接口电路两类。

本智能建筑现场控制器设计的模拟量输入接口（AI）电路，因为普通I／O检测仪表一般输出的模拟信号为0～10V
模拟电压信号或者为4～20mA模拟电流信号，因此设计的模拟量输入
接口（AI）电路分别可以接入0～10V模拟电压信号和4～20mA模拟电
流信号，经过电阻分压、稳压二极管箝位和运放跟随之后均变为0～2V 的电压信号输入到STM32主控芯片的AD引脚采集。

本控制器设计的数
字量输入接口（DI）电路，采用无源接点，外部输入开关量信号通过TLP781光耦进行隔离保护后接入STM32芯片I／O输入引脚。

本控制器设计的模拟量输出接口（AO）电路，如图2和图3所示，采用STM32
芯片的两路DA输出引脚分别产生0～2V电压信号，后经运算放大电路
产生具有较大电流驱动能力的0～10V电压信号输出，如图2所示，并
可产生4～20mA电流信号输出，如图3所示。

本控制器设计的数字量
输出接口（DO）电路，如图4所示，由STM32芯片的I／O输出引脚输
出开关量信号经光耦隔离后，通过三极管驱动继电器产生无源接点数
字量输出。

本控制器设计的RS485智能仪表的RS485接口电路如图5
所示，STM32的USART的Rx、Tx引脚连接到MAX485的RO、DI以进行RS485的数据收发；STM32的I／O口DIR与MAX485的接收使能端RE、发送使能端DE相连，对RS485半双工总线的通信方向进行统一控制；
而MAX485的差分信号端A、B则通过插座与RS485智能数字仪表相连，同时为保证通信质量，消除总线上的信号反射，需在RS485网络终端
的差分总线间串联120Ω的电阻。

3现场控制器与以太网通信接口电路的设计
STM32F107芯片的内部集成了以太网媒体接入控制器（MAC），MAC实
现网络的数据链路层，数据链路层向网络提供标准的数据通信接口，
提供构建数据帧、检查数据差错、传递控制等功能，物理层则负责与
通讯相关的电信号部分，向数据链路层提供标准的通信接口，提供时
钟信号、数据编码、线路状态以及相关的硬件电路等，物理层控制器
是与外部信号接口的芯片。

STM32F107并未集成物理层控制器，因此需要外接物理层控制器，本设计采用美国National公司的10／100M以
太网物理层收发芯片DP83848和HR911105A接口设计以太网通信接口
电路，相关原理图如图6所示。

4现场控制器软件的设计
本现场控制器移植了μC／OS－Ⅱ操作系统，实现了Mod-Bus协议和TCP／IP协议，实现了PID控制算法，完成了对建筑现场设备的控制要求，并可通过以太网与远程监控计算机实现远程监控。

控制器软件流
程如图7所示。

4．1μC／OS－Ⅱ操作系统的移植因为智能建筑现场控制器有较高的
功能要求和较多的任务程序，为了提升程序运行的效率，并增加多任
务协调管理的能力，就要进行实时操作系统的移植。

μC／OS－Ⅱ是多
任务操作系统，使用内核负责管理各个任务，每个任务都有其优先级，μC／OS－Ⅱ最多可以管理64个任务，其每个任务都拥有自己独立的
堆栈。

μC／OS－Ⅱ提供了非常丰富的系统服务功能，比如信号量、消
息邮箱、消息队列、事件标志、间管理等，这些功能可以帮助用户实
现非常复杂的应用［2］。

μC／OS－Ⅱ作为操作系统，移植主要是处
理与处理器相关的源文件，即os＿cpu＿c．c、os＿cpu＿a．s、os＿cpu．h。

其中os＿cpu．h主要包含编译器相关的数据类型的定义、堆
栈类型的定义以及几个宏定义和函数说明，为了便于移植，须重新定
义数据类型，因为不同的编译器所提供的同一数据类型的数据长度并
不相同［3］。

os＿cpu＿c．c文件中主要实现任务堆栈的初始化函数OS-TaskStkInit，任务创建函数通过调用函数OSTaskStkInit初始化
任务堆栈结构。

在os＿cpu＿a．s文件中需要根据具体的硬件处理器
实现几个汇编函数OSstartHighRdy、OSCtxSw、OSIntetxsw以及临界
处理函数OS＿CPU＿SR＿Save，OS＿CPU＿SR＿Restore。

4．2ModBus协议的实现本现场控制器通过对FreeModbus程序的移植
来实现ModBus协议主机功能。

FreeModbus程序是一个针对嵌入式应用的开源的通用Modbus协议的程序。

FreeModbus提供了RTU和ASCII传输模式支持，本控制器采用RTU传输模式。

移植涉及到串口和定时器
的移植，串口的移植文件位于portserial．c，定时器的移植文件位于porttimer．c。

主函数部分。

串口部分的代码编写比较常规，主要有
三个函数，串口初始化xMBPortSerialInit，串口数据发送
xMBPortSerialPutByte和串口数据接收xMBPortSerialGetByte。

除了
以上三个函数之外，还有串口中断服务函数USART1＿IRQHandler。

若
进入串口中断服务函数，则要调用FreeModbus中断响应函数，串口接
收中断服务函数对应prvvUARTRxISR。

在主程序中有三个FreeModbus
提供的函数，eMBInit，eMBEnable和eMBPoll。

eMBInit为modbus的
初始化函数，在程序中此函数设置的参数为：eMBInit(MB＿
RTU,0x01,0x01,9600,MB＿PAR＿NONE)，表示为：初始化为RTU模式，
从机地址为1，使用串口UART1，波特率为9600bit／s，无校验。

eMBEnable为modbus的使能函数，而eMBPoll为modbus的查询函数，查询是否有数据帧到达，如果有数据到达，便进行相依的处理。

Modbus通信中，总共有对四类的寄存器的操作，开关输入寄存器，线
圈寄存器，保持寄存器和输入寄存器。

所有的Mod-bus功能都围绕这
些数据类型进行操作，实现功能需要调用如下Modbus数据处理回调接
口函数：eMBMasterRegInputCB输入寄存器回调接口函数，eMBMasterRegHoldingCB保持寄存器回调接口函数，eMBMasterRegCoilsCB线圈回调接口函数，eMBMasterRegDiscreteCB
离散输入回调接口函数。

4．3TCP／IP协议的实现LWIP是用于嵌入式系统的开放源码TCP／IP
协议栈，其在保持TCP主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般只
需要几十字节的RAM和40KB左右的ROM就可运行，使LWIP适合在中
低端的嵌入式系统中应用［4］。

在LwIP中，structtcp＿pcb包括了
以太网数据最小传输单元的类型、IP地址、子网掩码、网关、当前端
口号、目的端口号等重要属性，在创建好tcp＿pcb之后，调用tcpAPI 操作函数tcp＿bind使指定的tcp数据单元属性生效。

对于以太网数
据的读写，设置以太网读写超时是非常重要的，LwIP＿Periodic＿Handle函数提供了这样的功能。

配置好tcp后，用tcp＿recv函数打
开数据接收回调函数，通过回调函数体中第二个参数创建监听线程。

在监听中无线程阻塞，当接收到远程数据报时，用tcp＿send写数据。

远程控制端对智能建筑现场控制器的监控是在监听线程tcp＿
echoserver＿receive＿callback中完成的，控制器根据不同的命令，决定要进行的操作功能。

4．4PID算法的实现因为设计的现场控制器将与现场仪表构成闭环控
制系统，根据如温度、压力等参数完成对建筑设备调控的要求，将模
拟量输出信号值的大小作为控制量。

故采取数字PID增量型控制算法。

例如，本设计的PID控制算法可以将温度调控的静态误差在0．2℃范
围以内，最小区分度为0．1℃，满足空调设备对温度调控的需求。

5结束语
本控制器已经成功地进行了应用，通讯可靠，功能丰富，通用性好，
为采用STM32芯片进行智能建筑现场控制器产品设计的应用提供了参
考方案。

智能建筑现场控制器的设计。