方弄玉，趙劍萍

（1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510507；2.中興通訊股份有限公司 廣東 深圳 518057）

防洪、抗旱給國(guó)家和家庭造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，水資源的優(yōu)化調(diào)度和科學(xué)管理得到了人們的重視。因此，在水資源調(diào)度和控制方面投放了更多人力物力，能得到有效控制。而嵌入式技術(shù)[1]為水情測(cè)報(bào)控制提供良好的技術(shù)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)最小系統(tǒng)[2]，能夠在有人或者無人的情況下，通過PC機(jī)或上位機(jī)發(fā)送用戶需要的指令遠(yuǎn)程控制電機(jī)工作，從而控制閘門的升降，實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)度控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[3-6]主要由4個(gè)模塊構(gòu)成，分別為電源轉(zhuǎn)換模塊、中心模塊（CPU模塊）、通信模塊、外圍驅(qū)動(dòng)模塊等。這些模塊之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊關(guān)系Fig.1 Relationship of system modules

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[7-8]

2.1 電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各個(gè)模塊需要使用 5、3.3、1.8 V，特別是主芯片LPC2119所需要的電壓。因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊將電源板輸出的穩(wěn)定12 V電源轉(zhuǎn)換為所需要的電壓。其中采用MAX1659將+12 V轉(zhuǎn)換為+5 V和+5 V P，并通過程序控制該芯片的工作，從而控制了后續(xù)所需的+5 V P電壓的任何電路；用MAX1658芯片將+5 V轉(zhuǎn)換為+3.3 V P，并控制該芯片的工作，控制后面需要+3.3 V P電壓的任何電路；采用MIC5207芯片將+5 V轉(zhuǎn)換為+3.3、+1.8 V，供后面電路提供電源。每一個(gè)轉(zhuǎn)換后的電壓都用了一個(gè)發(fā)光二極管的亮滅來檢查這些芯片是否正常工作，亮表示工作正常，反之則表示此轉(zhuǎn)換器有問題（損壞）。

2.2 中心模塊設(shè)計(jì)

中心模塊采用周立功公司提供的ARM7芯片LPC2119進(jìn)行中心控制[3-4]，該芯片共有64個(gè)引腳，內(nèi)置128 KB的Flash存儲(chǔ)器，16 KB的RAM，2個(gè)CAN通道，每個(gè)總線的數(shù)據(jù)波特率可達(dá)1 Mb/s。

在此模塊中留有1個(gè)JTAG接口，用于調(diào)試程序；并接上了8個(gè)撥碼開關(guān)，設(shè)置波特率和選擇采用何種通信方式進(jìn)行通信（RS485通信，RS232通信，CAN通信）；給了 8位的 I/O輸出數(shù)據(jù)到外圍驅(qū)動(dòng)電路，控制電機(jī)；在芯片的引腳上留有1路的CAN通信輸出，1路的RS485通信輸出，1路的RS232通信輸出；使用MAX708S進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位和低壓保護(hù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電壓低于4.4 V的時(shí)候，它輸出一個(gè)復(fù)位脈沖進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，起到低壓保護(hù)，同時(shí)在其MR引腳上接上一個(gè)按鈕到地，通過按鈕給一個(gè)低電平實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)。

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

要輸出板工作，必須由上面的PC機(jī)或者上位機(jī)下達(dá)指令，告訴輸出板該控制哪個(gè)閘門開閉，這個(gè)就需要上位機(jī)與終端進(jìn)行通信。在輸出板上留下3種通信方式的接口，具體采用哪一種按實(shí)際情況而定。

3種通信方式具體為RS485通信、RS232通信、CAN通信。當(dāng)通信距離較短時(shí)，輸出板一般與PC機(jī)直接相連，這時(shí)一般采用RS232通信；當(dāng)通信距離較長(zhǎng)時(shí)，一般采用RS485通信和CAN通信，但兩者也有差別。RS485總線通信模式由于使用了差分電平傳輸信號(hào)，傳輸距離比RS232更長(zhǎng)，最多可達(dá)到1 500 m，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、組網(wǎng)方便和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)，仍然能發(fā)揮良好的作用，但對(duì)于在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余量較大，干擾強(qiáng)度太大，速度要求高的應(yīng)用場(chǎng)所不適宜用RS485總線通信。而CAN總線通信除了有RS485通信的優(yōu)點(diǎn)以外，還能承受較大的傳輸數(shù)據(jù)量，抗干擾能力較強(qiáng)。

LPC2119輸出TTL電平，在用RS232通信時(shí)，必須將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，才能與RS232接口連接并通信，使用SP3232E或SP3243ECA進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)加上了穩(wěn)壓管進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)橐话鉘S232通信都是與PC機(jī)直接相連，環(huán)境不太惡劣，所以保護(hù)就比較簡(jiǎn)單。具體的電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 RS232通信方式及保護(hù)電路Fig.2 RS232 communication and protection circuit

在采用RS485通信和CAN通信時(shí)，一般距離都在幾千米左右，并且條件惡劣，雷電閃電可能會(huì)造成大量的總線損壞，所以除了設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換，還必須加上隔離保護(hù)電路。RS485電路框圖如圖3所示，具體的隔離保護(hù)電路如圖4所示。

圖3 RS485通信方式Fig.3 RS485 communication

圖4 RS485通信時(shí)隔離保護(hù)電路Fig.4 Isolation protection circuit when RS485 communicated

在RS485通信接口設(shè)計(jì)中，采用RSM485HT進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，并自帶有隔離。隔離電路采用了3級(jí)防雷保護(hù)，用微功率線性穩(wěn)壓器LT3010進(jìn)行一級(jí)保護(hù)，電流過大穩(wěn)壓器將導(dǎo)通，把大電流拉向大地；用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲SMD1812P010TF進(jìn)行二級(jí)保護(hù)，電流太大，它將熔斷，切斷電路，電流恢復(fù)再重新導(dǎo)通；用防雷管3RM090進(jìn)行三級(jí)保護(hù)；這三級(jí)保護(hù)都是把大電流引向大地，所以必須確保輸入時(shí)接地良好，不然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

在CAN通信接口設(shè)計(jì)中，采用CTM1040T型高速CAN隔離收發(fā)器。隔離電路和RS485的隔離電路差不多。在主芯片LPC2119上加了8個(gè)撥碼開關(guān)，可以選用其中的2個(gè)控制選擇3個(gè)通信方式。

2.4 外圍驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)[3-6]

外圍電路主要的作用是驅(qū)動(dòng)電磁閥或者繼電器來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。具體的電路框圖如圖5所示。

圖5 外圍電路框圖Fig.5 Diagram of external circuit

一般的I/O口輸出的電壓和電流都不能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥或者繼電器，所以需要芯片驅(qū)動(dòng)。選用ULN2803驅(qū)動(dòng)8路外圍器件，只是外圍用的繼電器和電磁閥都沒有確定，所以留有接口（8路 5 V，2路 12 V，2路 24 V的電源接口和ULN2803的驅(qū)動(dòng)輸出接口）。根據(jù)外面接入的設(shè)備靈活地選擇接口接入。如果外面接的是電機(jī)，就直接用交流電供電。

2.5 MCU對(duì)外圍接入設(shè)備的管理

MCU可以通過控制外面接入的設(shè)備所需電源進(jìn)行控制[6]，具體通過MCU的I/O口發(fā)送高低電平實(shí)現(xiàn)通斷，以需要12 V的外圍設(shè)備通斷控制為例，其電路如圖6所示。

圖6 MCU對(duì)外圍接入設(shè)備通斷控制電路Fig.6 MCU control circuit to peripheral device

當(dāng)外圍器件要工作時(shí)，即MCU通過I/O口發(fā)送D12VEN1為低的信號(hào)，此時(shí)MAX1659導(dǎo)通，得到12 V電源。這樣做的目的有3個(gè)：1）將所用器件與外界電源隔開，減少外界干擾對(duì)器件的損壞；2）提供接入設(shè)備需要12 V用電；3）可以把不用的外圍器件關(guān)掉。MAX1659是可控芯片，通過電阻R1、R2調(diào)節(jié)。其他的電源如5 V和24 V也可用同樣方法進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用周立功公司提供的底層接口函數(shù)和操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ編程，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)遠(yuǎn)程及時(shí)和定時(shí)自動(dòng)控制外圍設(shè)備（閘門），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體的控制程序流程如圖7和圖8所示。

圖7 自動(dòng)控制流程圖Fig.7 Flow chart of automatic control

圖8 定時(shí)控制流程圖Fig.8 Flow chart of timing control

4 結(jié) 論

詳細(xì)介紹了作為水情測(cè)報(bào)終端的輸出適配器的設(shè)計(jì)方法，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程閥門的控制。該設(shè)計(jì)成功地將嵌入式技術(shù)運(yùn)用到水情測(cè)報(bào)和控制中，以ARM7為主芯片進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)成一個(gè)最小系統(tǒng)，它可以單獨(dú)使用也可以和其他設(shè)備配合使用，通過無線或有線與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而根據(jù)用戶需要發(fā)送指令，遠(yuǎn)程控制閘門的升降，同時(shí)通過控制電源轉(zhuǎn)換器來斷掉后面的外圍器件所需要的電壓，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，主芯片的節(jié)能則通過程序?qū)崿F(xiàn)休眠模式或掉電模式。

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