張從鵬，岳向泉，羅學(xué)科，毛　潭

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京　100144)

0　引言

遠(yuǎn)程自動控制閘門是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息化的關(guān)鍵設(shè)備[1]。由于我國灌區(qū)水利工程的信息化起步較晚，對于有計(jì)量功能的遠(yuǎn)程自動閘門的研究尚在起步階段，分水控制與測流計(jì)量基本上依靠配水員的手動操作和經(jīng)驗(yàn)估算，信息管理水平低、效率低，與灌區(qū)信息化建設(shè)要求具有很大差距。國外進(jìn)口產(chǎn)品價格昂貴、操作復(fù)雜、水情適應(yīng)性差，無法全面推廣使用。研究遠(yuǎn)程自動計(jì)量閘門的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并開發(fā)滿足我國灌區(qū)使用的遠(yuǎn)程自動計(jì)量分水閘門系統(tǒng)，對于實(shí)現(xiàn)灌區(qū)精確化配水、科學(xué)調(diào)度和信息化管理具有重要作用。

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程自動計(jì)量分水閘門的控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，包括主控模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集接口、電源模塊、無線通信模塊和LCD模塊、圖像采集接口、電機(jī)驅(qū)動接口、限位開關(guān)接口等。

圖1　控制系統(tǒng)硬件組成

1．1主控及存儲模塊

控制系統(tǒng)選用的主控芯片為32位ARM Cortex-M4處理器STM32F407IGT[2]，工作頻率為168 MHz．?dāng)?shù)據(jù)存儲空間方面，除了STM32F407IGT自帶的1 MB的片上Flash，控制系統(tǒng)外擴(kuò)了128 MB NAND Flash接口、最大4 GB的TF存儲卡接口。NAND Flash原理圖如圖2所示。

圖2　NAND Flash電路圖

1．2傳感器數(shù)據(jù)采集接口

根據(jù)明渠測流理論，矩形薄壁閘門測量計(jì)算需要測量閘前水頭、閘門開啟高度、閘后穩(wěn)定水位。采用水壓傳感器測量閘前、閘后水位，采用絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器間接測量閘門的開啟高度[3]。傳感器輸出均為4～20 mA電流信號。采用RCV420芯片電流信號轉(zhuǎn)化成0～5 V電壓信號，濾波后進(jìn)入控制器的ADC通道。

1．3電源模塊

由于灌區(qū)閘門的安裝點(diǎn)多數(shù)無法采用市電，設(shè)計(jì)了光伏供電系統(tǒng)，采用24 V蓄電池作為控制系統(tǒng)的總電源，太陽能充電系統(tǒng)對蓄電池進(jìn)行充電及電能管理，電源轉(zhuǎn)換單元換轉(zhuǎn)出控制系統(tǒng)電路所需各種電壓。電壓分配框圖如圖3所示。

圖3　電源模塊電壓分配框圖

LM2596 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，具有3 A的負(fù)載驅(qū)動能力。MC34063可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心。電路原理圖如圖4所示。

圖4　電源電路原理圖

1．4無線通信模塊

根據(jù)安裝距離和數(shù)據(jù)傳輸要求，選用GPRS遠(yuǎn)程通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，比自建無線收發(fā)站的成本低[4]。GPRS模塊采用SIM900A為控制芯片。

1．5LCD模塊

閘門終端控制器的顯示屏采用帶觸摸功能的7英寸液晶屏AT070TN92，采用RA8875作為控制和驅(qū)動芯片，電路如圖5所示。

圖5　LCD顯示屏電路

1．6圖像采集接口

為了增加可靠性，需向用戶發(fā)送現(xiàn)場圖像來確定閘門開啟情況。攝像頭模塊采用OV2640芯片。原理圖如圖6所示。

圖6　OV2640接口原理圖

1．7電機(jī)驅(qū)動接口電路

閘門啟閉的驅(qū)動電機(jī)選用兩相步進(jìn)電機(jī)，ARM控制器和電機(jī)驅(qū)動器之間的接口電路如圖7所示。

1．8限位開關(guān)接口電路

限位開關(guān)輸出的電平轉(zhuǎn)換采用芯片為74LVC245A。電路圖如圖8所示。

2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括信息管理中心的PC應(yīng)用軟件和閘門終端的嵌入式應(yīng)用軟件。信息中心應(yīng)用軟件主要包括信息管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、水情分析等功能。閘門終端應(yīng)用軟件包括閘門自動控制、分水計(jì)量、遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)存儲、人機(jī)交互等功能。

信息管理中心的PC應(yīng)用軟件和閘門終端的嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)環(huán)境分別為Visual Studio 2010和KeiluVision4．5，閘門終端軟件運(yùn)行截圖如圖9所示。

圖8　限位開關(guān)電路

圖9　閘門終端軟件運(yùn)行截圖

3　應(yīng)用試驗(yàn)

開發(fā)的閘門控制系統(tǒng)先后在引黃工程回龍灌區(qū)和汾河灌區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場使用情況，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、測量精確,操作簡單,遠(yuǎn)程信息通信順暢，水位測量系統(tǒng)不僅能夠適應(yīng)清水測量環(huán)境，而且對于泥沙含量較大的黃河水測量也具有良好的適應(yīng)性。

4　結(jié)論

基于ARM開發(fā)了遠(yuǎn)程自動控制與測流計(jì)量的一體化閘門控制系統(tǒng)，具有運(yùn)行穩(wěn)定,測流精度高,操作簡單,對水情的適應(yīng)性強(qiáng),成本低等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)精確配水、科學(xué)調(diào)度和信息化管理，而且能夠減輕配水員的工作強(qiáng)度、減少配水糾紛，對信息化灌區(qū)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]施一潭，古鐘璧．西門子S7-200在遠(yuǎn)程閘門控制系統(tǒng)中的應(yīng)用．吉林水利，2007(2)：8-9．

[2]馬忠梅．嵌入式處理器與嵌入式系統(tǒng)．電子世界，2003(3)：41-42．

[3]張震，汪斌強(qiáng)，朱珂．流量測量的關(guān)鍵技術(shù)分析與研究．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009(9)：3442-3447．

[4]孫德輝，衛(wèi)革，楊揚(yáng)．基于ARM的GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010(29)：26-29．