基于ColdFire MCF52223和AD5420的閘門開度儀設(shè)計

近年來，由于洪澇災(zāi)害頻發(fā)，全國各地的水利設(shè)施都在加緊做排險、加固工作。其中一項重要內(nèi)容就是加快改造各水庫、河道調(diào)節(jié)閘門的控制系統(tǒng)，增強水利基礎(chǔ)設(shè)施抵御洪澇災(zāi)害的能力。早期的閘門調(diào)節(jié)控制，一般僅在啟閉機(jī)上安裝了一個機(jī)械式的主令控制器，控制精度比較低，而且由于沒有安裝荷重傳感器，當(dāng)閘門兩側(cè)受力不平衡時（閘門槽兩側(cè)摩擦力不均、閘門形變或兩側(cè)啟閉機(jī)步調(diào)不一致），容易拉斷鋼絲繩，存在安全隱患。隨著國家強制要求水利設(shè)施閘門控制系統(tǒng)加裝監(jiān)控設(shè)備后，閘門開度儀成為了水利工程中必不可少的安全保護(hù)和監(jiān)控設(shè)備，其主要作用是精確監(jiān)控閘門的起升高度、閘門兩側(cè)鋼絲繩的受力情況、記錄閘門的運行記錄等。

本文針對“某水庫除險加固工程溢洪道加固閘門啟閉機(jī)自動化控制項目實施方案”的要求，設(shè)計了一種基于ColdFire MCF52223微控制器和AD5420的閘門開度儀。目前，該系統(tǒng)已在施工現(xiàn)場完成了安裝和調(diào)試，并取得了較好的使用效果。具體技術(shù)指標(biāo)如下：開度量程0～40 m,分辨率1 cm，預(yù)設(shè)上限、下限兩個繼電器動作點；荷重量程0～60 T，分辨率0.1 T，預(yù)設(shè)90%、100%、110%三個繼電器動作點；安裝尺寸：77 mm×152 mm×160 mm（標(biāo)準(zhǔn)鋁型材外殼）。儀表各項技術(shù)指標(biāo)均滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]，面板功能示意圖如圖1所示。


1 系統(tǒng)組成

本次設(shè)計的閘門開度儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、4～20 mA電流輸出模塊、RS485通信模塊、顯示模塊、USB通信模塊和電源模塊等部分。其中信號調(diào)理模塊負(fù)責(zé)處理荷重傳感器（軸承座式荷重傳感器）輸入的毫伏級差分信號；A/D轉(zhuǎn)換模塊采用MCF52223內(nèi)部的8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供MCU處理；主控模塊負(fù)責(zé)處理開度傳感器（16位絕對多圈編碼器）輸入的16位數(shù)字編碼信號，并對各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析及處理；顯示模塊采用3片TM1620驅(qū)動12只8段高亮數(shù)碼管，分別顯示開度值和雙路荷重值；USB模塊采用MCF52223內(nèi)部的USB OTG模塊，用于在現(xiàn)場與便攜式PC機(jī)做近距離通信；RS485通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，實現(xiàn)上位機(jī)對各閘門的集中控制,通信協(xié)議采用RTU模式的MODBUS通信協(xié)議；4～20 mA輸出模塊采用3片16位轉(zhuǎn)換精度的AD5420，將開度值和兩路荷重值轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流輸出；電源模塊為傳感器和各功能模塊提供電源。


2 功能模塊設(shè)計

2.1 主控模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊

主控模塊的核心采用一片基于Freescale公司32位ColdFire V2內(nèi)核的MCF52223微處理器,最高主頻80 MHz。當(dāng)主頻為80 MHz時可提供高達(dá)76個Dhrystone 2.1 MIPS，并且內(nèi)部帶有硬件除法器和增強型累積乘法控制器的EMAC，具有強大的數(shù)據(jù)運算處理能力，非常適合用于本系統(tǒng)中多路傳感器信號的分析和綜合處理[2]。MCF52223內(nèi)部還提供了USB2.0全速主機(jī)/器件/OTG控制器和三個通用同步/異步收發(fā)器（UART），在工業(yè)現(xiàn)場可以很方便地和帶有USB接口的測量儀表或PC機(jī)近距離通信，或通過RS485總線實現(xiàn)與上位機(jī)之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。另外，MCF52223還具備256 KB Flash和64 KB SRAM、FlexCAN控制器、I2C模塊和隊列串行外圍接口(QSPI)，能夠為簡單編碼和實時數(shù)據(jù)存儲處理提供足夠的嵌入式內(nèi)存，并方便與各種外圍器件接口[3]?；谏鲜鎏匦?，以MCF52223為核心的主控模塊能夠較好地滿足系統(tǒng)對高速信息處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和多外圍器件接口的要求。

A/D轉(zhuǎn)換模塊采用主控芯片MCF52223內(nèi)部的8通道12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。與外置的12位A/D轉(zhuǎn)換器相比，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器模塊具有明顯的價格優(yōu)勢，降低了系統(tǒng)成本；并且由于減少了很多主控電路與A/D模塊間的引線連接，增強了系統(tǒng)的抗干擾性能，運行也更加穩(wěn)定[4]。

2.2 4～20 mA電流輸出模塊

在工業(yè)現(xiàn)場，如果信號經(jīng)調(diào)理后是電壓信號并且進(jìn)行長線傳輸，會產(chǎn)生以下問題：由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘枺瑐鬏斁€容易受到噪聲的干擾，傳輸線的分布電阻還會產(chǎn)生電壓降。為了解決上述問題并減小相關(guān)噪聲的影響，工業(yè)現(xiàn)場大量采用4～20 mA電流來傳輸信號。采用電流信號的原因是不容易受干擾，并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響傳輸精度，使得信號可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。

根據(jù)具體設(shè)計要求,閘門開度儀需要有三路4～20 mA電流信號輸出（一路開度信號和兩路荷重信號）。綜合考慮輸出精度、可靠性和生產(chǎn)成本，本設(shè)計沒有采用分立器件搭建4～20 mA電流輸出電路，而是采用ADI公司的AD5420作為電流輸出模塊的核心器件。AD5420是ADI公司新推出的一款成本低、精密度高、完全集成的16位電流轉(zhuǎn)換器件，主要針對工業(yè)過程控制應(yīng)用的需求。根據(jù)需要, 其輸出電流范圍有4~20 mA、0~20 mA和0~24 mA三種。并且輸出具有開路保護(hù)功能，可以驅(qū)動1 H的電感負(fù)載。寬電壓供電10.8~40 V，(本設(shè)計中采用直流24 V)；配有靈活的SPI和MICROWIRE兼容接口，可在三線制模式下工作。這款器件還包含確保器件在已知狀態(tài)上電復(fù)位的功能，以及將輸出設(shè)定為所選電流范圍低端的異步清零（CLEAR）引腳，總輸出誤差典型值為±0.01%FSR。

為了防止極端情況下傳輸線上可能竄入的干擾對系統(tǒng)內(nèi)部造成不良影響，本次設(shè)計中對每條AD5420與MCF52223相連的控制IO口都采用高速光耦（6N135）隔離,具體電路如圖3所示。圖中顯示的僅為一路4～20 mA電流輸出電路，其他兩路接法類似。


2.3 電源模塊

由于閘門開度儀電路中同時存在模擬器件、數(shù)字器件和大電流器件，為了保證各功能器件得到足夠的功率同時避免相互之間產(chǎn)生干擾,電源模塊的設(shè)計也很重要。由于定做符合要求的AC/DC模塊電源價格較高，本設(shè)計采用自行設(shè)計的3路隔離開關(guān)電源。 具體電路如圖4所示，變壓器T1是定制的專用于開關(guān)電源的高頻變壓器，TOP243用于脈寬調(diào)制，TL431作為參考電壓基準(zhǔn)。圖中第一路24 V輸出作為繼電器電源，分別給繼電器和AD5420供電；第二路3.3 V輸出作為系統(tǒng)電源，通過把輸出的6 V電壓經(jīng)LM1117降壓到3.3 V后，分別給MCF52223、編碼器和SP3485供電；第三路12 V輸出作為模擬電源，通過把輸出的15 V電壓經(jīng)7812穩(wěn)壓后，給兩個軸承座式荷重傳感器供電。


2.4 通信模塊

根據(jù)設(shè)計要求，機(jī)房中的中心控制機(jī)（上位機(jī)）需要具備對多孔閘門群進(jìn)行集中控制的能力，因此閘門開度儀與上位機(jī)或其他控制設(shè)備間需要遠(yuǎn)程通信。本設(shè)計采用RS485總線，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了方便與其他生產(chǎn)廠商的控制設(shè)備接口，通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，RTU模式。由于水庫現(xiàn)場情況復(fù)雜，通信距離也較長，在實地調(diào)試過程中儀表與上位機(jī)通信曾出現(xiàn)一些不穩(wěn)定的情況，比如傳輸誤碼、某些節(jié)點數(shù)據(jù)上行正常但下行錯誤等問題，調(diào)試花費了較長的時間。通過仔細(xì)分析和反復(fù)試驗，采取了總線末端加終端電阻、通信電纜套鍍鋅管并埋地屏蔽、輸出端加放電管和瞬態(tài)抑制二極管兩級保護(hù)等措施，最終較好地解決了這些問題。

通信模塊的電路如圖5所示，電平轉(zhuǎn)換芯片采用3.3 V供電的SP3485；R3是終端電阻，只需要在總線末端的一個節(jié)點上焊接；R2和R4是上下拉電阻，必須要接，否則通信距離長時極易出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象；輸出端的空氣放電管、自恢復(fù)保險絲和瞬態(tài)抑制二極管構(gòu)成兩級防雷電和浪涌保護(hù)；施工過程中通信電纜采用專用的屏蔽雙絞線，外面套鍍鋅管屏蔽并單獨埋地鋪設(shè)，避免了架空或是和動力電纜混扎排線。

2.5 其他模塊

模擬信號調(diào)理模塊采用高性能儀表放大器AD620作為核心器件，AD620是基于改進(jìn)型三運放結(jié)構(gòu)的單片集成儀用放大器，具有極高的輸人阻抗和共模抑制比、功耗低(最大工作電流僅1.3 mA)、精度高，其最大非線性度40 ppm，最大零漂電壓50 μV，最大溫漂電壓值0.6 ?滋V/度，非常適合用于荷重檢測等精度要求較高的系統(tǒng)。

顯示模塊采用三片TM1620驅(qū)動12只共陰8段數(shù)碼管和10只LED指示燈。TM1620是一款國產(chǎn)的數(shù)碼管驅(qū)動控制專用芯片，內(nèi)部集成有MCU 數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動、鍵盤掃描等電路，性價比較高，比常用的74HC595使用方便，而且比CH451便宜很多。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件兩部分。下位機(jī)軟件主要完成按鍵中斷處理、格雷碼轉(zhuǎn)換、預(yù)設(shè)報警值、數(shù)碼管掃描顯示、控制繼電器動作和定時上傳閘門運行數(shù)據(jù)等功能。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用LabVIEW+Access數(shù)據(jù)庫編寫，包括控制面板、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、單閘控制、多閘控制、密碼服務(wù)等界面，可以實時監(jiān)控各孔閘門的運行情況、遠(yuǎn)程設(shè)置運行參數(shù)、定時保存各閘門的運行記錄。

閘門運行狀態(tài)顯示界面如圖6所示，通過此界面可以實時監(jiān)測各孔閘門的左右鋼絲繩荷重值、當(dāng)前開度值、開度上下限值、運行狀態(tài)和報警狀態(tài)，并可以保存閘門的運行記錄。按下參數(shù)設(shè)置按鈕可以進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面對各閘門的運行參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)置。

閘門參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示，通過此界面可以重新設(shè)置閘門的開度上下限值、左右荷重預(yù)警及報警值、設(shè)置手動操作功能、報警狀態(tài)及顯示方式等，參數(shù)設(shè)置完成后，參數(shù)值將自動保存到ACCESS數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)表中，閘門將按照新的運行參數(shù)運行。另外，在此界面中還可以對單個閘門的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

另外，控制面板界面負(fù)責(zé)顯示所有的子界面跳轉(zhuǎn)按鈕及菜單，方便操作人員快速選擇需要的子界面（操作時也可以用子界面上已有的一些快捷按鈕在常用子界面間快速切換）；單閘控制界面和多閘控制界面負(fù)責(zé)閘門群的運動控制；密碼服務(wù)界面可以設(shè)置系統(tǒng)登錄密碼和參數(shù)修改密碼。

按照項目實施方案的要求，設(shè)計了一種基于ColdFire MCF52223和AD5420的閘門開度儀，并開發(fā)了相應(yīng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件。通過在現(xiàn)場安裝使用后表明，該儀表具備較強的信息處理能力和抗干擾能力、控制精度高、接口豐富、通用性好，滿足了設(shè)計要求。在今后的設(shè)計中，還可以考慮為該儀表增加水位傳感器和流速傳感器接口，以獲得更多的水文信息，從而更加精確地控制閘門運行，在水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。