秦 磊，劉 勇，趙 陽

（泰州市人民醫(yī)院，江蘇泰州 225300）

在當(dāng)今時代，工業(yè)智能化迅速發(fā)展，船舶領(lǐng)域的規(guī)范也得到相應(yīng)提高，尤其是在大力發(fā)展海洋經(jīng)濟、堅決維護(hù)海洋權(quán)益、加快建設(shè)海洋強國，打造現(xiàn)代化海洋經(jīng)濟的新征程過程中，船舶工業(yè)的發(fā)展必然會經(jīng)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(tǒng)主要用于監(jiān)控船舶各系統(tǒng)上的閥門狀態(tài)信息[3]。嵌入式系統(tǒng)的引進(jìn)，是實現(xiàn)船舶智能遠(yuǎn)程控制的重要手段，主動下達(dá)指令遠(yuǎn)程遙控閥門開關(guān)角度，實時采集各閥門上的重要參數(shù)，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(fā)，詳細(xì)地介紹了核心電路模塊的設(shè)計原理以及軟件流程的編程思路。

1 系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計方案

硬件電路是整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，是軟件功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。主控MCU 選取基于ARM Cortex-M3 為內(nèi)核的微處理器STM32F107VCT6[7]。PC 機作為上位機與主控板通過RS485 進(jìn)行通信，設(shè)計利用各類傳感器電路獲取船舶閥門的主要監(jiān)測參數(shù)（角度、電流、溫度和濕度），開關(guān)控制閥門的啟動與急停等功能，DA 模塊輸出信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

1.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊設(shè)計電路如圖2 所示，P12 接線端是電壓輸入端，選用一定參數(shù)的開關(guān)電源得到輸出側(cè)的5 V 電壓，U15 為電平轉(zhuǎn)換芯片AMS1117，將5 V 電壓轉(zhuǎn)換為STM32 工作電壓3.3 V，并在AMS1117 輸入與接地端并聯(lián)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(wěn)定的工作電壓，在AMS1117 輸出側(cè)并聯(lián)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(tǒng)穩(wěn)定工作，減少模擬量與數(shù)字量信號的相互干擾，選用10 μH小電感與0 Ω小電阻來進(jìn)行隔離模擬電源A3.3 V 與數(shù)字電源D3.3 V、模擬地AGND與數(shù)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(shè)計

因被控閥門的數(shù)量不唯一以及不確定性，為此設(shè)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(shù)量根據(jù)船舶所需遙控閥門的數(shù)量而定，具有一定的可擴展性，其每個閥門的ID 在設(shè)計時選用撥碼開關(guān)來設(shè)定，以達(dá)到每個閥門的單獨控制。CAN 通信的設(shè)計直接影響到整個通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與安全性[8-9]。采用ADI 公司的雙通道數(shù)字隔離器ADUM1201 來實現(xiàn)電氣隔離。ADUM1201 具有性能強、功耗低、速度快及體積小等優(yōu)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(chǎn)生，增強了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選取VP230 作為CAN 通信驅(qū)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(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN 高電平、CAN 低電平與地之間分別并聯(lián)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(shè)計如圖4 所示。

圖4 CAN通信電路

1.3 電機互鎖模塊設(shè)計

為避免電機正反轉(zhuǎn)同時接通，造成短路的嚴(yán)重后果，正反轉(zhuǎn)的接觸器只能有一個處于吸合狀態(tài)。通過硬件電路設(shè)計并結(jié)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(jìn)行軟件互鎖，實現(xiàn)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(dāng)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(tài)抑制二極管器件，起到過壓保護(hù)作用并具有響應(yīng)極快與浪涌吸收能力強的優(yōu)點。

圖5 電機互鎖硬件電路

1.4 模擬量采集模塊設(shè)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(shù)，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(nèi)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(xiàn)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(shù)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(shè)計中有詳細(xì)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(yīng)電壓范圍，與微處理器通信僅需一根單線，轉(zhuǎn)換電路和傳感元件都已集成在內(nèi)部，被測溫度范圍廣，分辨率最高可達(dá)12 bit。DS18B20 具有響應(yīng)速度快、體積小、精度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。通過傳感器的DQ 端連接STM32 微處理器的I/O 口來實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)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(yīng)速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)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(xiàn)溫度的實時監(jiān)控。

圖8 濕度采集電路

1.5 系統(tǒng)的硬件實例展示

根據(jù)閥門的實際構(gòu)造情況，充分利用剩余空間針對性地進(jìn)行系統(tǒng)整體的硬件設(shè)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(zhǔn)確地采集到各環(huán)境變量。整個閥門的硬件結(jié)構(gòu)實物展示如圖9 所示。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為三部分：系統(tǒng)相關(guān)模塊、外設(shè)硬件模塊和用戶模塊。每個模塊下又細(xì)分各子模塊，完成獨自的功能。采用這種結(jié)構(gòu)使得整個系統(tǒng)分層的結(jié)構(gòu)非常清晰；每個模塊之間相互獨立、內(nèi)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(hù)等。這些要求均是一個成熟的、完善的軟件結(jié)構(gòu)架構(gòu)的基本要求，應(yīng)予以保證。系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)如圖10 所示。

圖10 控制系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)

2.1 模擬量采集模塊軟件設(shè)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(tǒng)的重要參數(shù)，由相應(yīng)的傳感器檢測并轉(zhuǎn)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(xù)循環(huán)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(shè)和存儲區(qū)之間數(shù)據(jù)交互的傳輸模式，且由MCU 自動執(zhí)行無需額外的控制。文中需要采集2 路模擬量，為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量每路模擬量均需采集10 次并進(jìn)行數(shù)字濾波。模擬量轉(zhuǎn)換和存儲的示意圖如圖11 所示。

圖11 ADC1采集模擬量轉(zhuǎn)換和存儲示意圖

2.1.2 角度與電流采集流程設(shè)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(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)換后循環(huán)存儲到存儲區(qū)（循環(huán)覆蓋的方式，即當(dāng)存儲完一輪20個數(shù)據(jù)后繼續(xù)從第一個數(shù)據(jù)存儲區(qū)開始覆蓋，這樣便保證任何一個時刻讀取到的20 個數(shù)據(jù)均是最新的ADC 采集數(shù)據(jù)）。在對采集的數(shù)據(jù)采取數(shù)字濾除前，采用快速原理排序算法對數(shù)組進(jìn)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(tǒng)使用Visual Basic6.0 實現(xiàn)智能閥門控制的設(shè)計，Visual Basic6.0 是一種基于Basic 的可視化程序設(shè)計軟件，適用于圖形用戶界面的開發(fā)。其界面設(shè)計簡單易實現(xiàn)，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(shè)置串行通信對象以實現(xiàn)船用閥門的重要參數(shù)的顯示和設(shè)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(xié)議

參考Modbus RTU 通信協(xié)議，根據(jù)實際情況自定義了智能閥門控制器通信協(xié)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(shè)計了對應(yīng)的碼值所代表的含義。具體的數(shù)據(jù)幀格式如表1 所示。

表1 智能閥門控制器通信協(xié)議

3 結(jié)束語

文中詳細(xì)地介紹了基于嵌入式技術(shù)的智能閥門控制系統(tǒng)研發(fā)的各個環(huán)節(jié)技術(shù)。從整體方案設(shè)計到各個硬件模塊設(shè)計、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計以及嵌入式操作系統(tǒng)移植和上位機操作界面開發(fā)。每一個設(shè)計模塊均詳細(xì)地介紹了理論依據(jù)和設(shè)計思路。利用以ARM 為核心的嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計方案克服了傳統(tǒng)閥門的缺點，監(jiān)控了各閥門的狀態(tài)信息，實現(xiàn)了船用閥門控制的智能化，極大地提高了船舶自動化程度?？蔀樵擃I(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考價值。