基于ColdFire MCF52223和AD5420的閘門(mén)開(kāi)度儀設(shè)計(jì)

近年來(lái)，由于洪澇災(zāi)害頻發(fā)，全國(guó)各地的水利設(shè)施都在加緊做排險(xiǎn)、加固工作。其中一項(xiàng)重要內(nèi)容就是加快改造各水庫(kù)、河道調(diào)節(jié)閘門(mén)的控制系統(tǒng)，增強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施抵御洪澇災(zāi)害的能力。早期的閘門(mén)調(diào)節(jié)控制，一般僅在啟閉機(jī)上安裝了一個(gè)機(jī)械式的主令控制器，控制精度比較低，而且由于沒(méi)有安裝荷重傳感器，當(dāng)閘門(mén)兩側(cè)受力不平衡時(shí)（閘門(mén)槽兩側(cè)摩擦力不均、閘門(mén)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(guó)家強(qiáng)制要求水利設(shè)施閘門(mén)控制系統(tǒng)加裝監(jiān)控設(shè)備后，閘門(mén)開(kāi)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(mén)的起升高度、閘門(mén)兩側(cè)鋼絲繩的受力情況、記錄閘門(mén)的運(yùn)行記錄等。

本文針對(duì)“某水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道加固閘門(mén)啟閉機(jī)自動(dòng)化控制項(xiàng)目實(shí)施方案”的要求，設(shè)計(jì)了一種基于ColdFire MCF52223微控制器和AD5420的閘門(mén)開(kāi)度儀。目前，該系統(tǒng)已在施工現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)度量程0～40 m,分辨率1 cm，預(yù)設(shè)上限、下限兩個(gè)繼電器動(dòng)作點(diǎn)；荷重量程0～60 T，分辨率0.1 T，預(yù)設(shè)90%、100%、110%三個(gè)繼電器動(dòng)作點(diǎn)；安裝尺寸：77 mm×152 mm×160 mm（標(biāo)準(zhǔn)鋁型材外殼）。儀表各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足國(guó)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(jì)的閘門(mén)開(kāi)度儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括信號(hào)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(hào)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(jí)差分信號(hào)；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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供MCU處理；主控模塊負(fù)責(zé)處理開(kāi)度傳感器（16位絕對(duì)多圈編碼器）輸入的16位數(shù)字編碼信號(hào)，并對(duì)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(dòng)12只8段高亮數(shù)碼管，分別顯示開(kāi)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)各閘門(mén)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(kāi)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(jì)

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(shí)可提供高達(dá)76個(gè)Dhrystone 2.1 MIPS，并且內(nèi)部帶有硬件除法器和增強(qiáng)型累積乘法控制器的EMAC，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，非常適合用于本系統(tǒng)中多路傳感器信號(hào)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(gè)通用同步/異步收發(fā)器（UART），在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以很方便地和帶有USB接口的測(cè)量?jī)x表或PC機(jī)近距離通信，或通過(guò)RS485總線實(shí)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(duì)列串行外圍接口(QSPI)，能夠?yàn)楹?jiǎn)單編碼和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)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(jià)格優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性能，運(yùn)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(chǎng)，如果信號(hào)經(jīng)調(diào)理后是電壓信號(hào)并且進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線容易受到噪聲的干擾，傳輸線的分布電阻還會(huì)產(chǎn)生電壓降。為了解決上述問(wèn)題并減小相關(guān)噪聲的影響，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量采用4～20 mA電流來(lái)傳輸信號(hào)。采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾，并且電流源內(nèi)阻無(wú)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(hào)可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。

根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求,閘門(mén)開(kāi)度儀需要有三路4～20 mA電流信號(hào)輸出（一路開(kāi)度信號(hào)和兩路荷重信號(hào)）。綜合考慮輸出精度、可靠性和生產(chǎn)成本，本設(shè)計(jì)沒(méi)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(duì)工業(yè)過(guò)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(kāi)路保護(hù)功能，可以驅(qū)動(dòng)1 H的電感負(fù)載。寬電壓供電10.8~40 V，(本設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)內(nèi)部造成不良影響，本次設(shè)計(jì)中對(duì)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(mén)開(kāi)度儀電路中同時(shí)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(shí)避免相互之間產(chǎn)生干擾,電源模塊的設(shè)計(jì)也很重要。由于定做符合要求的AC/DC模塊電源價(jià)格較高，本設(shè)計(jì)采用自行設(shè)計(jì)的3路隔離開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)把輸出的15 V電壓經(jīng)7812穩(wěn)壓后，給兩個(gè)軸承座式荷重傳感器供電。


2.4 通信模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)房中的中心控制機(jī)（上位機(jī)）需要具備對(duì)多孔閘門(mén)群進(jìn)行集中控制的能力，因此閘門(mén)開(kāi)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(jì)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(kù)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，通信距離也較長(zhǎng)，在實(shí)地調(diào)試過(guò)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(diǎn)數(shù)據(jù)上行正常但下行錯(cuò)誤等問(wèn)題，調(diào)試花費(fèi)了較長(zhǎng)的時(shí)間。通過(guò)仔細(xì)分析和反復(fù)試驗(yàn)，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(jí)保護(hù)等措施，最終較好地解決了這些問(wèn)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(gè)節(jié)點(diǎn)上焊接；R2和R4是上下拉電阻，必須要接，否則通信距離長(zhǎng)時(shí)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(xiǎn)絲和瞬態(tài)抑制二極管構(gòu)成兩級(jí)防雷電和浪涌保護(hù)；施工過(guò)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(dú)埋地鋪設(shè)，避免了架空或是和動(dòng)力電纜混扎排線。

2.5 其他模塊

模擬信號(hào)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(yùn)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(cè)等精度要求較高的系統(tǒng)。

顯示模塊采用三片TM1620驅(qū)動(dòng)12只共陰8段數(shù)碼管和10只LED指示燈。TM1620是一款國(guó)產(chǎn)的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)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(dòng)、鍵盤(pán)掃描等電路，性價(jià)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(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(bào)警值、數(shù)碼管掃描顯示、控制繼電器動(dòng)作和定時(shí)上傳閘門(mén)運(yùn)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(kù)編寫(xiě)，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(shí)時(shí)監(jiān)控各孔閘門(mén)的運(yùn)行情況、遠(yuǎn)程設(shè)置運(yùn)行參數(shù)、定時(shí)保存各閘門(mén)的運(yùn)行記錄。

閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)顯示界面如圖6所示，通過(guò)此界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各孔閘門(mén)的左右鋼絲繩荷重值、當(dāng)前開(kāi)度值、開(kāi)度上下限值、運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)，并可以保存閘門(mén)的運(yùn)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(duì)各閘門(mén)的運(yùn)行參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)置。

閘門(mén)參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示，通過(guò)此界面可以重新設(shè)置閘門(mén)的開(kāi)度上下限值、左右荷重預(yù)警及報(bào)警值、設(shè)置手動(dòng)操作功能、報(bào)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(dòng)保存到ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)應(yīng)表中，閘門(mén)將按照新的運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行。另外，在此界面中還可以對(duì)單個(gè)閘門(mén)的運(yùn)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(shí)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(mén)群的運(yùn)動(dòng)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(xiàng)目實(shí)施方案的要求，設(shè)計(jì)了一種基于ColdFire MCF52223和AD5420的閘門(mén)開(kāi)度儀，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)安裝使用后表明，該儀表具備較強(qiáng)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(jì)要求。在今后的設(shè)計(jì)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(mén)運(yùn)行，在水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。