基于ColdFire MCF52223和AD5420的閘門(mén)開(kāi)度儀設計

近年來(lái)，由于洪澇災害頻發(fā)，全國各地的水利設施都在加緊做排險、加固工作。其中一項重要內容就是加快改造各水庫、河道調節閘門(mén)的控制系統，增強水利基礎設施抵御洪澇災害的能力。早期的閘門(mén)調節控制，一般僅在啟閉機上安裝了一個(gè)機械式的主令控制器，控制精度比較低，而且由于沒(méi)有安裝荷重傳感器，當閘門(mén)兩側受力不平衡時(shí)（閘門(mén)槽兩側摩擦力不均、閘門(mén)形變或兩側啟閉機步調不一致），容易拉斷鋼絲繩，存在安全隱患。隨著(zhù)國家強制要求水利設施閘門(mén)控制系統加裝監控設備后，閘門(mén)開(kāi)度儀成為了水利工程中必不可少的安全保護和監控設備，其主要作用是精確監控閘門(mén)的起升高度、閘門(mén)兩側鋼絲繩的受力情況、記錄閘門(mén)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(mén)啟閉機自動(dòng)化控制項目實(shí)施方案”的要求，設計了一種基于ColdFire MCF52223微控制器和AD5420的閘門(mén)開(kāi)度儀。目前，該系統已在施工現場(chǎng)完成了安裝和調試，并取得了較好的使用效果。具體技術(shù)指標如下：開(kāi)度量程0～40 m,分辨率1 cm，預設上限、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，預設90%、100%、110%三個(gè)繼電器動(dòng)作點(diǎn)；安裝尺寸：77 mm×152 mm×160 mm（標準鋁型材外殼）。儀表各項技術(shù)指標均滿(mǎn)足國家相關(guān)標準[1]，面板功能示意圖如圖1所示。


1 系統組成

本次設計的閘門(mén)開(kāi)度儀系統結構如圖2所示，主要包括信號調理模塊、A/D轉換模塊、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。其中信號調理模塊負責處理荷重傳感器（軸承座式荷重傳感器）輸入的毫伏級差分信號；A/D轉換模塊采用MCF52223內部的8通道12位A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號供MCU處理；主控模塊負責處理開(kāi)度傳感器（16位絕對多圈編碼器）輸入的16位數字編碼信號，并對各種數據信息進(jìn)行綜合分析及處理；顯示模塊采用3片TM1620驅動(dòng)12只8段高亮數碼管，分別顯示開(kāi)度值和雙路荷重值；USB模塊采用MCF52223內部的USB OTG模塊，用于在現場(chǎng)與便攜式PC機做近距離通信；RS485通信模塊負責數據遠傳，實(shí)現上位機對各閘門(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位轉換精度的AD5420，將開(kāi)度值和兩路荷重值轉化為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 功能模塊設計

2.1 主控模塊和A/D轉換模塊

主控模塊的核心采用一片基于Freescale公司32位ColdFire V2內核的MCF52223微處理器,最高主頻80 MHz。當主頻為80 MHz時(shí)可提供高達76個(gè)Dhrystone 2.1 MIPS，并且內部帶有硬件除法器和增強型累積乘法控制器的EMAC，具有強大的數據運算處理能力，非常適合用于本系統中多路傳感器信號的分析和綜合處理[2]。MCF52223內部還提供了USB2.0全速主機/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)現場(chǎng)可以很方便地和帶有USB接口的測量?jì)x表或PC機近距離通信，或通過(guò)RS485總線(xiàn)實(shí)現與上位機之間的遠程數據傳輸。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(jiǎn)單編碼和實(shí)時(shí)數據存儲處理提供足夠的嵌入式內存，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(mǎn)足系統對高速信息處理、遠程數據傳送和多外圍器件接口的要求。

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

2.2 4～20 mA電流輸出模塊

在工業(yè)現場(chǎng)，如果信號經(jīng)調理后是電壓信號并且進(jìn)行長(cháng)線(xiàn)傳輸，會(huì )產(chǎn)生以下問(wèn)題：由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線(xiàn)容易受到噪聲的干擾，傳輸線(xiàn)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)現場(chǎng)大量采用4～20 mA電流來(lái)傳輸信號。采用電流信號的原因是不容易受干擾，并且電流源內阻無(wú)窮大，導線(xiàn)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的距離。

根據具體設計要求,閘門(mén)開(kāi)度儀需要有三路4～20 mA電流信號輸出（一路開(kāi)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，本設計沒(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位電流轉換器件，主要針對工業(yè)過(guò)程控制應用的需求。根據需要, 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)路保護功能，可以驅動(dòng)1 H的電感負載。寬電壓供電10.8~40 V，(本設計中采用直流24 V)；配有靈活的SPI和MICROWIRE兼容接口，可在三線(xiàn)制模式下工作。這款器件還包含確保器件在已知狀態(tài)上電復位的功能，以及將輸出設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(xiàn)上可能竄入的干擾對系統內部造成不良影響，本次設計中對每條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(lèi)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,電源模塊的設計也很重要。由于定做符合要求的AC/DC模塊電源價(jià)格較高，本設計采用自行設計的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(zhuān)用于開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器，TOP243用于脈寬調制，TL431作為參考電壓基準。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

根據設計要求，機房中的中心控制機（上位機）需要具備對多孔閘門(mén)群進(jìn)行集中控制的能力，因此閘門(mén)開(kāi)度儀與上位機或其他控制設備間需要遠程通信。本設計采用RS485總線(xiàn)，環(huán)形拓撲結構，為了方便與其他生產(chǎn)廠(chǎng)商的控制設備接口，通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，RTU模式。由于水庫現場(chǎng)情況復雜，通信距離也較長(cháng)，在實(shí)地調試過(guò)程中儀表與上位機通信曾出現一些不穩定的情況，比如傳輸誤碼、某些節點(diǎn)數據上行正常但下行錯誤等問(wèn)題，調試花費了較長(cháng)的時(shí)間。通過(guò)仔細分析和反復試驗，采取了總線(xiàn)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，電平轉換芯片采用3.3 V供電的SP3485；R3是終端電阻，只需要在總線(xiàn)末端的一個(gè)節點(diǎn)上焊接；R2和R4是上下拉電阻，必須要接，否則通信距離長(cháng)時(shí)極易出現誤碼現象；輸出端的空氣放電管、自恢復保險絲和瞬態(tài)抑制二極管構成兩級防雷電和浪涌保護；施工過(guò)程中通信電纜采用專(zhuān)用的屏蔽雙絞線(xiàn)，外面套鍍鋅管屏蔽并單獨埋地鋪設，避免了架空或是和動(dòng)力電纜混扎排線(xiàn)。

2.5 其他模塊

模擬信號調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)型三運放結構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(xiàn)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。

顯示模塊采用三片TM1620驅動(dòng)12只共陰8段數碼管和10只LED指示燈。TM1620是一款國產(chǎn)的數碼管驅動(dòng)控制專(zhuān)用芯片，內部集成有MCU 數字接口、數據鎖存器、LED高壓驅動(dòng)、鍵盤(pán)掃描等電路，性?xún)r(jià)比較高，比常用的74HC595使用方便，而且比CH451便宜很多。

3 軟件設計

軟件設計包括下位機軟件和上位機監控軟件兩部分。下位機軟件主要完成按鍵中斷處理、格雷碼轉換、預設報警值、數碼管掃描顯示、控制繼電器動(dòng)作和定時(shí)上傳閘門(mén)運行數據等功能。上位機監控軟件采用LabVIEW+Access數據庫編寫(xiě)，包括控制面板、狀態(tài)顯示、參數設置、單閘控制、多閘控制、密碼服務(wù)等界面，可以實(shí)時(shí)監控各孔閘門(mén)的運行情況、遠程設置運行參數、定時(shí)保存各閘門(mén)的運行記錄。

閘門(mén)運行狀態(tài)顯示界面如圖6所示，通過(guò)此界面可以實(shí)時(shí)監測各孔閘門(mén)的左右鋼絲繩荷重值、當前開(kāi)度值、開(kāi)度上下限值、運行狀態(tài)和報警狀態(tài)，并可以保存閘門(mén)的運行記錄。按下參數設置按鈕可以進(jìn)入參數設置界面對各閘門(mén)的運行參數重新進(jìn)行設置。

閘門(mén)參數設置界面如圖7所示，通過(guò)此界面可以重新設置閘門(mén)的開(kāi)度上下限值、左右荷重預警及報警值、設置手動(dòng)操作功能、報警狀態(tài)及顯示方式等，參數設置完成后，參數值將自動(dòng)保存到ACCESS數據庫的對應表中，閘門(mén)將按照新的運行參數運行。另外，在此界面中還可以對單個(gè)閘門(mén)的運行狀態(tài)進(jìn)行監視和控制。

另外，控制面板界面負責顯示所有的子界面跳轉按鈕及菜單，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責閘門(mén)群的運動(dòng)控制；密碼服務(wù)界面可以設置系統登錄密碼和參數修改密碼。

按照項目實(shí)施方案的要求，設計了一種基于ColdFire MCF52223和AD5420的閘門(mén)開(kāi)度儀，并開(kāi)發(fā)了相應的上位機監控軟件。通過(guò)在現場(chǎng)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(mǎn)足了設計要求。在今后的設計中，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(mén)運行，在水利基礎設施建設中發(fā)揮更大的作用。