電液集成式閥門遙控系統(tǒng)嵌入式控制模塊的設(shè)計(jì)

秦旭日，邵 昱，陳 棘

（704研究所，上海 200031）

0 引 言

電液集成式閥門遙控系統(tǒng)是一種新型遙控系統(tǒng)，它不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的閥門遠(yuǎn)距離操控，而且可以為上級網(wǎng)絡(luò)提供更多的支持，如閥門的故障信息、維護(hù)信息和操控信息，而這些信息正是全船綜合平臺管理系統(tǒng)的重要組成部分。電液集成式閥門遙控技術(shù)的主要研究對象為電液集成式驅(qū)動裝置和控制模塊。控制模塊是實(shí)現(xiàn)電液集成式閥門本地化、網(wǎng)絡(luò)化控制的關(guān)鍵，既可安裝在現(xiàn)場底層進(jìn)行直接控制，又可連接到集控室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

針對電液集成式閥門遙控系統(tǒng)中控制模塊的功能特性分析，本文采用MiniARM嵌入式工業(yè)控制模塊，進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了控制模塊的軟硬件平臺，實(shí)現(xiàn)了閥門遙控系統(tǒng)中控制模塊的功能需求。

1 電液集成式閥門遙控系統(tǒng)原理

電液集成式閥門遙控系統(tǒng)主要由電液集成式驅(qū)動裝置和控制模塊組成，驅(qū)動裝置直接與被控閥門連接，控制模塊與驅(qū)動裝置用電纜連接。操作人員可通過控制模塊面板上的按鈕對驅(qū)動裝置實(shí)施操控。閥門開、閉及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過設(shè)置在驅(qū)動裝置內(nèi)的閥位指示器反饋至控制模塊，并在面板顯示。控制模塊也可集成在船艙里的集控臺內(nèi)或通過電纜與船艙里的操控臺連接，在船艙室內(nèi)通過控制面板可對全船電液集成式驅(qū)動閥門裝置實(shí)施遙控操作。

圖1 電液集成式閥門遙控系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)控制模塊的主要功能

電液集成式閥門遙控系統(tǒng)控制模塊的主要功能有：

1)本地/遠(yuǎn)程控制模式。本地模式：直接通過操控模塊進(jìn)行控制閥門的啟閉；遠(yuǎn)程模式：一般有2種方式，1種方式是通過I/O操控，MIMIC（系統(tǒng)模擬）面板或PLC（可編程控制器）上的I/O口；另1種方式是通過CAN（控制器局域網(wǎng)）總線實(shí)現(xiàn)操控，使整套設(shè)備融入上級管理網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而使之成為船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的重要組成部分。

2)閥門操控模式的選擇。在不同的閥門管系中，對閥門啟閉的要求是不同的，可以實(shí)現(xiàn)如下幾種閥門操控模式，如表1。

表1 閥門操控模式表

3)啟閉時(shí)間調(diào)節(jié)。閥門的啟閉時(shí)間不是越快越好，有時(shí)是和系統(tǒng)要求有關(guān)，在模塊上通過電位器調(diào)節(jié)，可以設(shè)定最大啟閉時(shí)間，若在最大啟閉時(shí)間內(nèi)不能完成啟閉，模塊報(bào)警。

4)狀態(tài)指示功能。用3組指示燈指示閥門的啟閉狀態(tài)、模塊的通訊狀態(tài)、模塊的故障信息，其中用綠色LED（發(fā)光二極管）、黃色LED的ON/OFF狀態(tài)指示閥門的啟閉狀態(tài)，閃爍狀態(tài)指示閥門的運(yùn)動狀態(tài)及故障狀態(tài)，紅色 LED指示系統(tǒng)的上電指示及模塊通訊狀態(tài)。

5)報(bào)警功能。模塊上提供兩路IO輸出，觸點(diǎn)容量 1A/220VAC，系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，用于報(bào)警輸出顯示或控制。

6)試燈功能。模塊上提供1路IO輸入，該信號接通，模塊將接通模塊自身的狀態(tài)指示燈；同時(shí)接通閥門打開和關(guān)閉的指示，進(jìn)行測試系統(tǒng)指示燈是否損壞。

7)控制功能。模塊上帶有功率接口，可驅(qū)動電機(jī)，控制閥門的啟閉，最大電流為3A。

3 控制模塊設(shè)計(jì)

通過對系統(tǒng)控制模塊的主要功能分析，綜合實(shí)際控制中的因素，最終設(shè)計(jì)的控制模塊的系統(tǒng)功能框圖如圖2。圖中的嵌入式微控制器采用MiniARM（嵌入式工控模塊）的M9020-FNU20型號，通過A/D轉(zhuǎn)換接口可實(shí)現(xiàn)閥門位置的調(diào)節(jié)及反饋；通過電位器設(shè)置閥門運(yùn)行時(shí)間的調(diào)整；通過控制模塊上的啟閉按鈕驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)閥門的開閉控制；通過CAN總線可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與模塊之間的通訊。

控制模塊的系統(tǒng)接線圖如圖3，系統(tǒng)分為3層，最上層包含 MIMIC控制端、網(wǎng)絡(luò)控制端，可通過集控室進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；中間層是控制模塊端，可通過控制模塊上的按鈕實(shí)現(xiàn)閥門的本地操控；最下層是閥門執(zhí)行端，此層可以設(shè)置手動控制。

圖2 控制模塊系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

在滿足控制模塊主要功能的基礎(chǔ)上，對市場上現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)模塊進(jìn)行比較分析，優(yōu)先考慮市場上已有的成熟解決方案，以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，減少研制周期。最終選用MiniARM嵌入式工業(yè)核心模塊，綜合控制模塊功能需求及成本因素，選用 MiniARM 的 M9020-FNU20型號，其基于LPC2290工業(yè)級微控制器，產(chǎn)品提供總線保護(hù)設(shè)計(jì)，使模塊在EMC（電磁兼容性）性能及穩(wěn)定性方面均有良好的表現(xiàn)。

LPC2290的主要功能特性有：內(nèi)嵌 μC/OS-II正版實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；內(nèi)置 TCP/IP協(xié)議、FAT32文件管理系統(tǒng)；支持CF卡、U盤，板載256MB電子硬盤；工業(yè)級10M以太網(wǎng)控制器；工業(yè)級2路CAN控制器；工業(yè)級USB Host控制器；2MB NOR Flash程序存儲器；2MB內(nèi)存 M9020-FNU20/8MB內(nèi)存M9080-FNU20；內(nèi)置帶256B E2PROM的復(fù)位監(jiān)控電路；1個(gè)可校準(zhǔn)的低功耗外置實(shí)時(shí)時(shí)鐘；2路UART（通用異步接收器發(fā)送器）、1路 I2C、SPI（串行外設(shè)接口）通信接口；4路10位A/D轉(zhuǎn)換器；20個(gè)GPIO（通用輸入/輸出），可承受5V電壓輸入；支持24位地址和16位數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展等。

在外圍電路上，設(shè)置1路GPIO輸入實(shí)現(xiàn)本地/遠(yuǎn)程控制選擇，利用4路撥碼開關(guān)設(shè)置操控模式的選擇，可實(shí)現(xiàn) 16種操控模式，通過電位器設(shè)置閥門啟閉時(shí)間，3組 LED實(shí)現(xiàn)狀態(tài)指示，提供2路GPIO輸出實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，2路GPIO輸出驅(qū)動電機(jī)。在MiniARM核心控制模塊功能分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適合控制模塊功能的外圍電路，搭建了系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)平臺，控制模塊配置H-JTAG仿真接口，可通過并口連接到PC進(jìn)行程序的調(diào)試。

圖3 控制模塊接線

3.2 軟件設(shè)計(jì)

ADS 集成開發(fā)環(huán)境是ARM 公司推出的ARM核微控制器集成開發(fā)工具，英文全稱為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS1.2。ADS1.2 支持ARM10 之前的所有ARM 系列微控制器，支持軟件調(diào)試及JTAG 硬件仿真調(diào)試，支持匯編、C、C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強(qiáng)等特點(diǎn)，可以在Windows98、Windows XP、Windows2000上運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)以ADS集成開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)工具，利用核心模塊MiniARM的API（應(yīng)用編程）接口函數(shù)，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。針對控制模塊功能，設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖4、5。

圖4 系統(tǒng)總流程

圖5 閥門操控子程序流程

4 結(jié) 語

本文在項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，針對控制模塊的功能特性分析，開發(fā)了控制模塊的硬件平臺，并在 ADS 集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開發(fā)。在實(shí)際試驗(yàn)中，通過仿真器將上位機(jī)與硬件平臺相連，并將程序下載到核心控制模塊中，通過外圍電路模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了控制模塊的基本功能。電液集成式閥門遙控系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)的閥門遙控系統(tǒng)，改善了控制性能，成為未來發(fā)展船舶綜合自動化平臺的重要組成部分。

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