李金喜，陳繼永

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 221006）

0 引言

隨著船舶大型化及自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)國(guó)際規(guī)范的要求主要用于監(jiān)控船舶壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)以及貨油裝卸系統(tǒng)等管路上的遙控閥門(mén)狀態(tài)的船舶閥門(mén)遙控系統(tǒng)，已經(jīng)在各類新造船舶中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。其中，船舶壓載水系統(tǒng)在進(jìn)行壓載水排放過(guò)程中，需時(shí)常調(diào)節(jié)壓載水閥門(mén)開(kāi)度的大小，為了有效操作，工作人員需知道閥門(mén)的開(kāi)度狀態(tài)。當(dāng)前采用的閥門(mén)開(kāi)度檢測(cè)方式主要是通過(guò)電位器檢測(cè)閥門(mén)轉(zhuǎn)角，然后將電位器信號(hào)轉(zhuǎn)換成4mA～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，通過(guò)多芯船用屏蔽電纜送至控制臺(tái)，最后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于壓載水管系閥門(mén)多安裝在船舶底層空間較小的管道艙內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)布線條件艱苦，施工量較大，且維護(hù)及系統(tǒng)升級(jí)較不便。如采用無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)度的信號(hào)傳輸，可節(jié)約大量電纜及安裝維護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)性較好。因此，本文提出了一種基于CC2530射頻芯片設(shè)計(jì)的，利用角度傳感器實(shí)現(xiàn)壓載水管系液動(dòng)蝶閥閥位檢測(cè)，并可進(jìn)行無(wú)線通信的無(wú)線液動(dòng)蝶閥閥位變送器設(shè)計(jì)方案。該變送器實(shí)現(xiàn)了對(duì)液動(dòng)蝶閥閥門(mén)位置采集的無(wú)線化，節(jié)省了系統(tǒng)配置成本及安裝復(fù)雜度，具有經(jīng)濟(jì)型及可維護(hù)性較高等特點(diǎn)。

1 閥位變送器總體設(shè)計(jì)方案

1.1 閥門(mén)遙控系統(tǒng)

閥門(mén)遙控系統(tǒng)可根據(jù)操作人員的要求，對(duì)管道閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱和控制，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)顯示遙控閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)有開(kāi)度控制要求的閥門(mén)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)度顯示。目前新造船舶中閥門(mén)驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力源多為液動(dòng)裝置，完整的閥門(mén)遙控系統(tǒng)包括集控臺(tái)、液壓動(dòng)力泵站、電磁閥箱及液動(dòng)閥門(mén)。

閥門(mén)遙控系統(tǒng)工作原理如下：液壓泵站提供閥門(mén)開(kāi)、關(guān)動(dòng)作動(dòng)力源，電磁閥箱中的換向閥通過(guò)轉(zhuǎn)換工作油路控制驅(qū)動(dòng)頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作；閥門(mén)位置信號(hào)取自閥門(mén)驅(qū)動(dòng)頭內(nèi)的檢測(cè)裝置，通過(guò)船用電纜將閥門(mén)位置信息送至控制臺(tái)（箱），信號(hào)經(jīng)處理后送監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；壓載水管系中使用的多屬于旋轉(zhuǎn)式閥門(mén)的液動(dòng)蝶閥，可進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)操作，實(shí)現(xiàn)管道的開(kāi)、閉功能［2］。

1.2 閥位無(wú)線傳輸總體方案

針對(duì)當(dāng)前閥門(mén)遙控系統(tǒng)中閥位檢測(cè)系統(tǒng)的弊端，以有開(kāi)度控制要求的液動(dòng)蝶閥為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線閥位變送器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液動(dòng)蝶閥閥門(mén)位置的檢測(cè)及檢測(cè)信號(hào)的無(wú)線傳輸。在閥門(mén)遙控系統(tǒng)中，閥位變送器將采集到的閥門(mén)位置信息通過(guò)無(wú)線的方式傳輸至安裝在管道艙內(nèi)部的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串行通信的方式將閥門(mén)位置信息傳送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。采用無(wú)線閥位變送器的新型閥門(mén)遙控系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

考慮到閥位變送器的升級(jí)及后續(xù)在電動(dòng)、電液及其他類型閥門(mén)上的應(yīng)用，采用模塊化設(shè)計(jì)思路對(duì)變送器硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。該變送器硬件結(jié)構(gòu)主要包括電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線收發(fā)模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電源模塊負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)供電，提供各部分運(yùn)行所需的電量；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集閥門(mén)位置信息并做一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)變送器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和管理；無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間按一定的通信協(xié)議相互通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 閥位檢測(cè)系統(tǒng)

由于壓載水管系所用閥門(mén)對(duì)控制精度要求不高，在實(shí)際使用中，大多通過(guò)在閥門(mén)驅(qū)動(dòng)頭中安裝的角位置傳感器來(lái)獲得閥門(mén)閥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，從而得出閥門(mén)的開(kāi)度，達(dá)到閥位檢測(cè)的目的［3］。其中，角度傳感器多為旋轉(zhuǎn)式電位器。為了獲得較好的線性關(guān)系，選取電位器中間段變化，兩端對(duì)應(yīng)閥門(mén)的全開(kāi)全關(guān)，這樣就使得機(jī)械信號(hào)變成了電阻信號(hào)。通過(guò)分壓電路，使之轉(zhuǎn)變成電壓變化。其工作原理是：由閥門(mén)控制裝置帶動(dòng)閥門(mén)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，閥門(mén)開(kāi)度不同，則電位器的分壓不同。

圖1 無(wú)線閥門(mén)遙控系統(tǒng)配置圖

圖2 變送器結(jié)構(gòu)框圖

電位器通過(guò)分壓將閥門(mén)的開(kāi)度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳給電壓跟隨器，由電壓跟隨器將該電壓信號(hào)傳給單片機(jī)內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換成閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)，通過(guò)無(wú)線通訊的方式借助協(xié)調(diào)器傳給集控臺(tái)計(jì)算機(jī)。閥位檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 閥位檢測(cè)電路

2.2 主控芯片

主控芯片CC2530單片機(jī)是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的2.4GHz無(wú)線射頻單片機(jī)。同時(shí)，CC2530可以配備TI公司的RemoTI，Z－Stack或SimpliciTI等專有或標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)［4］。該芯片硬件方面，內(nèi)部自帶ADC，集成高性能的RF收發(fā)器，具有出色的低功耗功能；軟件方面，提供開(kāi)發(fā)便捷的協(xié)議棧，為變送器的開(kāi)發(fā)提供了很大的便利。

2.3 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊的性能對(duì)該變送器的使用性能產(chǎn)生了較大的影響。其中，天線及巴倫匹配電路的設(shè)計(jì)對(duì)射頻通路指標(biāo)及通信距離、系統(tǒng)功耗有較大的影響，決定了無(wú)線收發(fā)模塊功能的好壞。CC2530內(nèi)部集成的高性能RF收發(fā)器采用差分的方式完成對(duì)射頻信號(hào)的傳送，而天線為單端口，故在設(shè)計(jì)中，選用巴倫匹配電路來(lái)實(shí)現(xiàn)差分到單端口的轉(zhuǎn)換。圖4中C11，L1，C10和L2構(gòu)成巴倫電路。

圖4 巴倫匹配電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee協(xié)議棧

采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，增強(qiáng)軟件開(kāi)發(fā)的靈活性及后續(xù)功能擴(kuò)展的便利性，采用TI公司提供的基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的Z－Stack協(xié)議棧。該協(xié)議棧包含了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)描述的各層次的功能組件模塊，向開(kāi)發(fā)人員提供了一系列的API接口，通過(guò)調(diào)用這些API接口可實(shí)現(xiàn)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中各層次的相應(yīng)功能［5］。各功能組件模塊的任務(wù)調(diào)度方式是：為需要實(shí)現(xiàn)的功能建立任務(wù)，且每一個(gè)任務(wù)有不同的事件；若某個(gè)任務(wù)有事件發(fā)生，則調(diào)用任務(wù)事件處理函數(shù)，并判斷是什么事件發(fā)生，然后系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作；當(dāng)沒(méi)有任務(wù)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，在低功耗模式下，若有事件發(fā)生，則喚醒系統(tǒng)進(jìn)入中斷處理事件，事件處理結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式［6］。

3.2 變送器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

圖5為變送器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖。

變送器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集閥門(mén)閥位信息，并將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，最終上傳給上位機(jī)處理。處理過(guò)程中，閥位變送器終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)檢測(cè)閥位信息，并發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的閥位數(shù)據(jù)。變送器終端節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于低功耗模式，此時(shí)變送器節(jié)點(diǎn)關(guān)閉傳感器模塊和無(wú)線通信模塊，停止采集閥位信息和發(fā)送數(shù)據(jù)，只保留CPU內(nèi)部定時(shí)器和中斷。

圖5 變送器節(jié)點(diǎn)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)閥門(mén)遙控系統(tǒng)及ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了基于射頻芯片CC2530的無(wú)線閥位變送器，該變送器可應(yīng)用于壓載管系閥門(mén)遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液動(dòng)蝶閥閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)及開(kāi)度的檢測(cè)及無(wú)線傳輸。對(duì)閥位信號(hào)采用無(wú)線傳送也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處，采用無(wú)線傳輸給閥位檢測(cè)帶來(lái)方便并在成本、空間、功耗、靈活性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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