基于嵌入式系統的船用閥門控制系統設計

秦 磊，劉 勇，趙 陽

（泰州市人民醫院，江蘇泰州 225300）

在當今時代，工業智能化迅速發展，船舶領域的規范也得到相應提高，尤其是在大力發展海洋經濟、堅決維護海洋權益、加快建設海洋強國，打造現代化海洋經濟的新征程過程中，船舶工業的發展必然會經歷舒適化、自動化、智能化的階段[1-2]。船舶閥門智能遙控系統主要用于監控船舶各系統上的閥門狀態信息[3]。嵌入式系統的引進，是實現船舶智能遠程控制的重要手段，主動下達指令遠程遙控閥門開關角度，實時采集各閥門上的重要參數，友好地為船舶人員提供輔助決策信息，提高工作效率，增強安全程度[4-6]。文中從軟硬件角度出發，詳細地介紹了核心電路模塊的設計原理以及軟件流程的編程思路。

1 系統的整體硬件設計方案

硬件電路是整個控制系統穩定運行的關鍵，是軟件功能實現的基礎。主控MCU 選取基于ARM Cortex-M3 為內核的微處理器STM32F107VCT6[7]。PC 機作為上位機與主控板通過RS485 進行通信，設計利用各類傳感器電路獲取船舶閥門的主要監測參數（角度、電流、溫度和濕度），開關控制閥門的啟動與急停等功能，DA 模塊輸出信號驅動電機轉動。系統硬件設計方案如圖1 所示。

圖1 系統硬件設計方案

1.1 電源模塊設計

電源模塊設計電路如圖2 所示，P12 接線端是電壓輸入端，選用一定參數的開關電源得到輸出側的5 V 電壓，U15 為電平轉換芯片AMS1117，將5 V 電壓轉換為STM32 工作電壓3.3 V，并在AMS1117 輸入與接地端并聯0.1 μF 貼片電容和100 μF 極性電容，起到濾除高低頻信號干擾的作用。為MCU 提供更加穩定的工作電壓，在AMS1117 輸出側并聯22 μF 短電容，并起濾波作用。

電源隔離電路如圖3 所示。為保障系統穩定工作，減少模擬量與數字量信號的相互干擾，選用10 μH小電感與0 Ω小電阻來進行隔離模擬電源A3.3 V 與數字電源D3.3 V、模擬地AGND與數字地DGND3.3 V以及參考電源VREF 之間的隔離。

1.2 CAN通信電路設計

因被控閥門的數量不唯一以及不確定性，為此設計了一個主控制板與多個子控制板的CAN 總線通信。子控制板的數量根據船舶所需遙控閥門的數量而定，具有一定的可擴展性，其每個閥門的ID 在設計時選用撥碼開關來設定，以達到每個閥門的單獨控制。CAN 通信的設計直接影響到整個通信網絡的可靠性與安全性[8-9]。采用ADI 公司的雙通道數字隔離器ADUM1201 來實現電氣隔離。ADUM1201 具有性能強、功耗低、速度快及體積小等優點。D3.3 V與CAN3.3 V 是兩組完全隔離的不共地的電源，抑制了共模電壓的產生，增強了通信系統的穩定性。選取VP230 作為CAN 通信驅動芯片，分別在其兩路輸出端接入100 Ω的電阻，匹配總線阻抗，提高數據通信的可靠性。CAN 高電平、CAN 低電平與地之間分別并聯30 pF 的電容，濾除高頻干擾信號，防止電磁輻射，提高接口電路的抗干擾能力[10]。CAN 通信電路設計如圖4 所示。

圖4 CAN通信電路

1.3 電機互鎖模塊設計

為避免電機正反轉同時接通，造成短路的嚴重后果，正反轉的接觸器只能有一個處于吸合狀態。通過硬件電路設計并結合軟件處理的方式來控制電機的運行方向，電機互鎖硬件電路如圖5 所示。DC1和DC2 端連接STM32 的GPIO 口，通過GPIO 兩個口的高低電平信號來進行軟件互鎖，實現電機的正反向運行，利用定時器中斷配置PWR 的占空比來控制速度。當DC1 輸入高電平，DC2 輸入低電平時，電機正向運行；反之，電機反向運行。T3 和T4 為瞬態抑制二極管器件，起到過壓保護作用并具有響應極快與浪涌吸收能力強的優點。

圖5 電機互鎖硬件電路

1.4 模擬量采集模塊設計

1.4.1 角度與電流采集

船用閥門的角度與電流是兩個重要的參數，采集電路如圖6 所示。針對這兩路信號的采集，文中選用LM358 運放芯片，在其內部便可完成信號放大供STM32 I/O 口采集。圖中P9 接線端子提供了角度信號的輸入口供角度傳感器引線接入使用，角度傳感器選用米蘭特P2020 系列，實現0～360°高精度測量。輸入電壓5～24 V DC，輸出信號DC 4～20 mA，0～10 V。P10 接線端子提供了電流信號的輸入口供電流傳感器引線接入使用，電流變送器的參數為輸入電流AC 0～30 A；輸出信號DC 4～20 mA，0～10 V；孔徑8 mm。該兩路模擬信號最終通過STM32 微處理器的I/O 口來采集并通過一定的軟件算法得出可靠的值，在下文軟件設計中有詳細描述。

圖6 角度與電流采集電流圖

1.4.2 溫度采集

文中選用DS18B20 溫度傳感器作為溫度信號采集源，工作電路如圖7 所示。主要特性：3.0～5.5 V 的寬適應電壓范圍，與微處理器通信僅需一根單線，轉換電路和傳感元件都已集成在內部，被測溫度范圍廣，分辨率最高可達12 bit。DS18B20 具有響應速度快、體積小、精度高、穩定性高等優點。通過傳感器的DQ 端連接STM32 微處理器的I/O 口來實現溫度的實時監控[11-13]。

1.4.3 濕度采集

文中選用DHT11 濕度傳感器作為濕度信號采集源，工作電路如圖8 所示。主要特性：3～5.5 V 的工作電壓范圍，最大2.5 mA 的供電電流，濕度范圍：20%～90%RH，誤差為±5%RH，測量分辨率為8 bit。DHT11 具有信號傳輸距離長、響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優點。VCC 與GND 間接入0.1 μF的電容，可以起到去耦濾波的作用。在短于20 m 的連接線間接有R34上拉電阻，阻值為4.7 kΩ。獨特的單線接口使其允許通過傳感器的DATA 端直連STM32 微處理器的I/O 口來實現溫度的實時監控。

圖8 濕度采集電路

1.5 系統的硬件實例展示

根據閥門的實際構造情況，充分利用剩余空間針對性地進行系統整體的硬件設計以及各器件的選型等，通過嵌入的方式有效地解決空間資源問題并能夠近距離準確地采集到各環境變量。整個閥門的硬件結構實物展示如圖9 所示。

2 控制系統的軟件設計

系統軟件主要分為三部分：系統相關模塊、外設硬件模塊和用戶模塊。每個模塊下又細分各子模塊，完成獨自的功能。采用這種結構使得整個系統分層的結構非常清晰；每個模塊之間相互獨立、內斂性強、相互耦合性差；用戶軟件模塊與底層模塊分離，便于移植、維護等。這些要求均是一個成熟的、完善的軟件結構架構的基本要求，應予以保證。系統軟件的總體架構如圖10 所示。

圖10 控制系統軟件的總體架構

2.1 模擬量采集模塊軟件設計

2.1.1 角度與電流采集原理

閥門的實時角度與電流是系統的重要參數，由相應的傳感器檢測并轉換為4～20 mA 信號供STM32 F107VCT6 采集。在軟件編程中將STM32F107VCT6的ADC 配置為自動連續循環掃描模式，分別由ADC1 的通道2 和通道10 采集角度與電流。

DMA 是用來作為外設和存儲區之間數據交互的傳輸模式，且由MCU 自動執行無需額外的控制。文中需要采集2 路模擬量，為提高數據質量每路模擬量均需采集10 次并進行數字濾波。模擬量轉換和存儲的示意圖如圖11 所示。

圖11 ADC1采集模擬量轉換和存儲示意圖

2.1.2 角度與電流采集流程設計

利用定時器中斷，每隔一個自定義周期便處理采集模擬量值。兩路模擬量經過ADC 轉換后循環存儲到存儲區（循環覆蓋的方式，即當存儲完一輪20個數據后繼續從第一個數據存儲區開始覆蓋，這樣便保證任何一個時刻讀取到的20 個數據均是最新的ADC 采集數據）。在對采集的數據采取數字濾除前，采用快速原理排序算法對數組進行整理并重排順序。采集流程如圖12 所示。

圖12 角度與電流的采集流程

2.2 智能閥門控制器操作界面

上位機系統使用Visual Basic6.0 實現智能閥門控制的設計，Visual Basic6.0 是一種基于Basic 的可視化程序設計軟件，適用于圖形用戶界面的開發。其界面設計簡單易實現，利用軟件自帶的編輯控件選取自適用的控件并定義各自的控制變量，設置串行通信對象以實現船用閥門的重要參數的顯示和設定。操作界面如圖13 所示。

圖13 智能閥門控制界面

2.3 智能閥門控制器通信協議

參考Modbus RTU 通信協議，根據實際情況自定義了智能閥門控制器通信協議，以滿足個性化的通信要求[14-16]。在軟件編程時考慮到上位機與下位機的通信需求，分別設計了對應的碼值所代表的含義。具體的數據幀格式如表1 所示。

表1 智能閥門控制器通信協議

3 結束語

文中詳細地介紹了基于嵌入式技術的智能閥門控制系統研發的各個環節技術。從整體方案設計到各個硬件模塊設計、軟件結構設計以及嵌入式操作系統移植和上位機操作界面開發。每一個設計模塊均詳細地介紹了理論依據和設計思路。利用以ARM 為核心的嵌入式硬件系統設計方案克服了傳統閥門的缺點，監控了各閥門的狀態信息，實現了船用閥門控制的智能化，極大地提高了船舶自動化程度。可為該領域的相關研究提供參考價值。