電液集成式閥門遙控系統嵌入式控制模塊的設計

秦旭日，邵 昱，陳 棘

（704研究所，上海 200031）

0 引 言

電液集成式閥門遙控系統是一種新型遙控系統，它不僅可以實現常規的閥門遠距離操控，而且可以為上級網絡提供更多的支持，如閥門的故障信息、維護信息和操控信息，而這些信息正是全船綜合平臺管理系統的重要組成部分。電液集成式閥門遙控技術的主要研究對象為電液集成式驅動裝置和控制模塊。控制模塊是實現電液集成式閥門本地化、網絡化控制的關鍵，既可安裝在現場底層進行直接控制，又可連接到集控室進行遠程控制。

針對電液集成式閥門遙控系統中控制模塊的功能特性分析，本文采用MiniARM嵌入式工業控制模塊，進行二次開發，設計了控制模塊的軟硬件平臺，實現了閥門遙控系統中控制模塊的功能需求。

1 電液集成式閥門遙控系統原理

電液集成式閥門遙控系統主要由電液集成式驅動裝置和控制模塊組成，驅動裝置直接與被控閥門連接，控制模塊與驅動裝置用電纜連接。操作人員可通過控制模塊面板上的按鈕對驅動裝置實施操控。閥門開、閉及運轉狀態通過設置在驅動裝置內的閥位指示器反饋至控制模塊，并在面板顯示。控制模塊也可集成在船艙里的集控臺內或通過電纜與船艙里的操控臺連接，在船艙室內通過控制面板可對全船電液集成式驅動閥門裝置實施遙控操作。

圖1 電液集成式閥門遙控系統原理

2 系統控制模塊的主要功能

電液集成式閥門遙控系統控制模塊的主要功能有：

1)本地/遠程控制模式。本地模式：直接通過操控模塊進行控制閥門的啟閉；遠程模式：一般有2種方式，1種方式是通過I/O操控，MIMIC（系統模擬）面板或PLC（可編程控制器）上的I/O口；另1種方式是通過CAN（控制器局域網）總線實現操控，使整套設備融入上級管理網絡，進而使之成為船舶綜合平臺管理系統的重要組成部分。

2)閥門操控模式的選擇。在不同的閥門管系中，對閥門啟閉的要求是不同的，可以實現如下幾種閥門操控模式，如表1。

表1 閥門操控模式表

3)啟閉時間調節。閥門的啟閉時間不是越快越好，有時是和系統要求有關，在模塊上通過電位器調節，可以設定最大啟閉時間，若在最大啟閉時間內不能完成啟閉，模塊報警。

4)狀態指示功能。用3組指示燈指示閥門的啟閉狀態、模塊的通訊狀態、模塊的故障信息，其中用綠色LED（發光二極管）、黃色LED的ON/OFF狀態指示閥門的啟閉狀態，閃爍狀態指示閥門的運動狀態及故障狀態，紅色 LED指示系統的上電指示及模塊通訊狀態。

5)報警功能。模塊上提供兩路IO輸出，觸點容量 1A/220VAC，系統運行錯誤時，用于報警輸出顯示或控制。

6)試燈功能。模塊上提供1路IO輸入，該信號接通，模塊將接通模塊自身的狀態指示燈；同時接通閥門打開和關閉的指示，進行測試系統指示燈是否損壞。

7)控制功能。模塊上帶有功率接口，可驅動電機，控制閥門的啟閉，最大電流為3A。

3 控制模塊設計

通過對系統控制模塊的主要功能分析，綜合實際控制中的因素，最終設計的控制模塊的系統功能框圖如圖2。圖中的嵌入式微控制器采用MiniARM（嵌入式工控模塊）的M9020-FNU20型號，通過A/D轉換接口可實現閥門位置的調節及反饋；通過電位器設置閥門運行時間的調整；通過控制模塊上的啟閉按鈕驅動電機，實現閥門的開閉控制；通過CAN總線可實現上位機與模塊之間的通訊。

控制模塊的系統接線圖如圖3，系統分為3層，最上層包含 MIMIC控制端、網絡控制端，可通過集控室進行遠程操作；中間層是控制模塊端，可通過控制模塊上的按鈕實現閥門的本地操控；最下層是閥門執行端，此層可以設置手動控制。

圖2 控制模塊系統

3.1 硬件設計

在滿足控制模塊主要功能的基礎上，對市場上現有的嵌入式系統模塊進行比較分析，優先考慮市場上已有的成熟解決方案，以保證系統運行穩定性，減少研制周期。最終選用MiniARM嵌入式工業核心模塊，綜合控制模塊功能需求及成本因素，選用 MiniARM 的 M9020-FNU20型號，其基于LPC2290工業級微控制器，產品提供總線保護設計，使模塊在EMC（電磁兼容性）性能及穩定性方面均有良好的表現。

LPC2290的主要功能特性有：內嵌 μC/OS-II正版實時操作系統；內置 TCP/IP協議、FAT32文件管理系統；支持CF卡、U盤，板載256MB電子硬盤；工業級10M以太網控制器；工業級2路CAN控制器；工業級USB Host控制器；2MB NOR Flash程序存儲器；2MB內存 M9020-FNU20/8MB內存M9080-FNU20；內置帶256B E2PROM的復位監控電路；1個可校準的低功耗外置實時時鐘；2路UART（通用異步接收器發送器）、1路 I2C、SPI（串行外設接口）通信接口；4路10位A/D轉換器；20個GPIO（通用輸入/輸出），可承受5V電壓輸入；支持24位地址和16位數據總線擴展等。

在外圍電路上，設置1路GPIO輸入實現本地/遠程控制選擇，利用4路撥碼開關設置操控模式的選擇，可實現 16種操控模式，通過電位器設置閥門啟閉時間，3組 LED實現狀態指示，提供2路GPIO輸出實現報警功能，2路GPIO輸出驅動電機。在MiniARM核心控制模塊功能分析的基礎上，設計了適合控制模塊功能的外圍電路，搭建了系統硬件實驗平臺，控制模塊配置H-JTAG仿真接口，可通過并口連接到PC進行程序的調試。

圖3 控制模塊接線

3.2 軟件設計

ADS 集成開發環境是ARM 公司推出的ARM核微控制器集成開發工具，英文全稱為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS1.2。ADS1.2 支持ARM10 之前的所有ARM 系列微控制器，支持軟件調試及JTAG 硬件仿真調試，支持匯編、C、C++源程序，具有編譯效率高、系統庫功能強等特點，可以在Windows98、Windows XP、Windows2000上運行。實驗以ADS集成開發環境作為開發工具，利用核心模塊MiniARM的API（應用編程）接口函數，進行軟件設計。針對控制模塊功能，設計的軟件流程圖如圖4、5。

圖4 系統總流程

圖5 閥門操控子程序流程

4 結 語

本文在項目設計方案的基礎上，針對控制模塊的功能特性分析，開發了控制模塊的硬件平臺，并在 ADS 集成開發環境中進行軟件開發。在實際試驗中，通過仿真器將上位機與硬件平臺相連，并將程序下載到核心控制模塊中，通過外圍電路模擬實際系統的運行狀況，實現了控制模塊的基本功能。電液集成式閥門遙控系統改進了傳統的閥門遙控系統，改善了控制性能，成為未來發展船舶綜合自動化平臺的重要組成部分。

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