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公共建筑物的內部有大量的電氣設備，如空調設備、給排水設備、照明設備等，這些設備多而散：多，即數量多；散，即這些設備分散在各個層次和角落。建筑智能化是通過安裝于現場設備附近的現場控制器對建筑內眾多電氣設備進行自動控制、監視、測量，實現綜合協調、運行管理和維護保養工作，提高整個建筑內部設備運行的效率，減少能源消耗，同時使管理者隨時掌握設備狀態運行情況、能量消耗情況及各種參數變化情況［1］。智能建筑現場控制器為建筑物所有電氣設備提供安全、可靠、節能、長效運行的保證，直接決定了整個建筑智能化的水平，因此設計一款具有功能可靠，通用性好，組網方便，傳輸速率高的智能建筑現場控制器有著重要的實際意義。

1智能建筑現場控制器的設計方案

智能建筑現場控制器是是安裝于監控對象附近的小型專用控制設備，本文采用意法半導體推出的32位Cortex－M3結構的芯片STM32F107VCT6作為主控芯片，設計了智能建筑現場控制器，設計方案圖如圖1所示，設計了通過按鍵和液晶顯示進行功能參數設定，并由數據存儲電路保存設置的參數；設計了通過模擬／數字輸入輸出接口和RS485總線接口對現場普通I／O儀表和智能儀表的信號互連，完成信息數據的采集、傳輸、轉換和設置，可針對現場設備的控制要求實現如PID算法，完成對現場設備的監測與調控功能；設計了可與遠程監控PC機及其他現場控制器及以太網設備進行以太網數據通信，實現遠程監控和系統組網。

2現場控制器與儀表接口電路的設計

由于智能建筑現場使用的儀表可分為普通I／O儀表和RS485智能儀表兩種，現場控制器與現場儀表的信號接口電路也分為適用于普通I／O儀表的數字／模擬輸入輸出接口電路和適用于RS485智能儀表的RS485總線接口電路兩類。本智能建筑現場控制器設計的模擬量輸入接口（AI）電路，由于普通I／O檢測儀表一般輸出的模擬信號為0～10V模擬電壓信號或者為4～20mA模擬電流信號，因此設計的模擬量輸入接口（AI）電路分別可以接入0～10V模擬電壓信號和4～20mA模擬電流信號，經過電阻分壓、穩壓二極管箝位和運放跟隨之后均變為0～2V的電壓信號輸入到STM32主控芯片的AD引腳采集。本控制器設計的數字量輸入接口（DI）電路，采用無源接點，外部輸入開關量信號通過TLP781光耦進行隔離保護后接入STM32芯片I／O輸入引腳。本控制器設計的模擬量輸出接口（AO）電路，如圖2和圖3所示，采用STM32芯片的兩路DA輸出引腳分別產生0～2V電壓信號，后經運算放大電路產生具有較大電流驅動能力的0～10V電壓信號輸出，如圖2所示，并可產生4～20mA電流信號輸出，如圖3所示。本控制器設計的數字量輸出接口（DO）電路，如圖4所示，由STM32芯片的I／O輸出引腳輸出開關量信號經光耦隔離后，通過三極管驅動繼電器產生無源接點數字量輸出。本控制器設計的RS485智能儀表的RS485接口電路如圖5所示，STM32的USART的Rx、Tx引腳連接到MAX485的RO、DI以進行RS485的數據收發；STM32的I／O口DIR與MAX485的接收使能端RE、發送使能端DE相連，對RS485半雙工總線的通信方向進行統一控制；而MAX485的差分信號端A、B則通過插座與RS485智能數字儀表相連，同時為保證通信質量，消除總線上的信號反射，需在RS485網絡終端的差分總線間串聯120Ω的電阻。

3現場控制器與以太網通信接口電路的設計

STM32F107芯片的內部集成了以太網媒體接入控制器（MAC），MAC實現網絡的數據鏈路層，數據鏈路層向網絡提供標準的數據通信接口，提供構建數據幀、檢查數據差錯、傳遞控制等功能，物理層則負責與通訊相關的電信號部分，向數據鏈路層提供標準的通信接口，提供時鐘信號、數據編碼、線路狀態以及相關的硬件電路等，物理層控制器是與外部信號接口的芯片。STM32F107并未集成物理層控制器，因此需要外接物理層控制器，本設計采用美國National公司的10／100M以太網物理層收發芯片DP83848和HR911105A接口設計以太網通信接口電路，相關原理圖如圖6所示。

4現場控制器軟件的設計

本現場控制器移植了μC／OS－Ⅱ操作系統，實現了Mod-Bus協議和TCP／IP協議，實現了PID控制算法，完成了對建筑現場設備的控制要求，并可通過以太網與遠程監控計算機實現遠程監控。控制器軟件流程如圖7所示。

4．1μC／OS－Ⅱ操作系統的移植由于智能建筑現場控制器有較高的功能要求和較多的任務程序，為了提高程序運行的效率，并增加多任務協調管理的能力，就要進行實時操作系統的移植。μC／OS－Ⅱ是多任務操作系統，使用內核負責管理各個任務，每個任務都有其優先級，μC／OS－Ⅱ最多可以管理64個任務，其每個任務都擁有自己獨立的堆棧。μC／OS－Ⅱ提供了非常豐富的系統服務功能，比如信號量、消息郵箱、消息隊列、事件標志、間管理等，這些功能可以幫助用戶實現非常復雜的應用［2］。μC／OS－Ⅱ作為操作系統，移植主要是處理與處理器相關的源文件，即os＿cpu＿c．c、os＿cpu＿a．s、os＿cpu．h。其中os＿cpu．h主要包含編譯器相關的數據類型的定義、堆棧類型的定義以及幾個宏定義和函數說明，為了便于移植，須重新定義數據類型，因為不同的編譯器所提供的同一數據類型的數據長度并不相同［3］。os＿cpu＿c．c文件中主要實現任務堆棧的初始化函數OS-TaskStkInit，任務創建函數通過調用函數OSTaskStkInit初始化任務堆棧結構。在os＿cpu＿a．s文件中需要根據具體的硬件處理器實現幾個匯編函數OSstartHighRdy、OSCtxSw、OSIntetxsw以及臨界處理函數OS＿CPU＿SR＿Save，OS＿CPU＿SR＿Restore。

4．2ModBus協議的實現本現場控制器通過對FreeModbus程序的移植來實現ModBus協議主機功能。FreeModbus程序是一個針對嵌入式應用的開源的通用Modbus協議的程序。FreeModbus提供了RTU和ASCII傳輸模式支持，本控制器采用RTU傳輸模式。移植涉及到串口和定時器的移植，串口的移植文件位于portserial．c，定時器的移植文件位于porttimer．c。主函數部分。串口部分的代碼編寫比較常規，主要有三個函數，串口初始化xMBPortSerialInit，串口數據發送xMBPortSerialPutByte和串口數據接收xMBPortSerialGetByte。除了以上三個函數之外，還有串口中斷服務函數USART1＿IRQHandler。若進入串口中斷服務函數，則要調用FreeModbus中斷響應函數，串口接收中斷服務函數對應prvvUARTRxISR。在主程序中有三個FreeModbus提供的函數，eMBInit，eMBEnable和eMBPoll。eMBInit為modbus的初始化函數，在程序中此函數設置的參數為：eMBInit(MB＿RTU,0x01,0x01,9600,MB＿PAR＿NONE)，表示為：初始化為RTU模式，從機地址為1，使用串口UART1，波特率為9600bit／s，無校驗。eMBEnable為modbus的使能函數，而eMBPoll為modbus的查詢函數，查詢是否有數據幀到達，如果有數據到達，便進行相依的處理。Modbus通信中，總共有對四類的寄存器的操作，開關輸入寄存器，線圈寄存器，保持寄存器和輸入寄存器。所有的Mod-bus功能都圍繞這些數據類型進行操作，實現功能需要調用如下Modbus數據處理回調接口函數：eMBMasterRegInputCB輸入寄存器回調接口函數，eMBMasterRegHoldingCB保持寄存器回調接口函數，eMBMasterRegCoilsCB線圈回調接口函數，eMBMasterRegDiscreteCB離散輸入回調接口函數。

4．3TCP／IP協議的實現LWIP是用于嵌入式系統的開放源碼TCP／IP協議棧，其在保持TCP主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般只需要幾十字節的RAM和40KB左右的ROM就可運行，使LWIP適合在中低端的嵌入式系統中應用［4］。在LwIP中，structtcp＿pcb包括了以太網數據最小傳輸單元的類型、IP地址、子網掩碼、網關、當前端口號、目的端口號等重要屬性，在創建好tcp＿pcb之后，調用tcpAPI操作函數tcp＿bind使指定的tcp數據單元屬性生效。對于以太網數據的讀寫，設置以太網讀寫超時是非常重要的，LwIP＿Periodic＿Handle函數提供了這樣的功能。配置好tcp后，用tcp＿recv函數打開數據接收回調函數，通過回調函數體中第二個參數創建監聽線程。在監聽中無線程阻塞，當接收到遠程數據報時，用tcp＿send寫數據。遠程控制端對智能建筑現場控制器的監控是在監聽線程tcp＿echoserver＿receive＿callback中完成的，控制器根據不同的命令，決定要進行的操作功能。

4．4PID算法的實現由于設計的現場控制器將與現場儀表構成閉環控制系統，根據如溫度、壓力等參數完成對建筑設備調控的要求，將模擬量輸出信號值的大小作為控制量。故采取數字PID增量型控制算法。例如，本設計的PID控制算法可以將溫度調控的靜態誤差在0．2℃范圍以內，最小區分度為0．1℃，滿足空調設備對溫度調控的需求。

5結束語

本控制器已經成功地進行了應用，通訊可靠，功能豐富，通用性好，為采用STM32芯片進行智能建筑現場控制器產品設計的應用提供了參考方案。

作者：高瑞 祝德忠 齊利曉 單位：天津城建大學控制與機械工程學院 天津二十冶建設有限公司電氣設備安裝工程分公司