船用閥門控制器的設(shè)計

1、、八 、，前言從上個世紀的“十閥九漏” ，到目前不少產(chǎn)品出口國外，我國的閥門行業(yè)取得 長足進步。但來自中國通用機械工業(yè)協(xié)會閥門會的資料顯示，我國每年閥門市場成 交額高達 500 億左右，其中卻有 100 多億元的市場被國外閥門企業(yè)占領(lǐng)，要改變 這種現(xiàn)狀，通過創(chuàng)新技術(shù)提高閥門質(zhì)量是關(guān)鍵。隨著全球經(jīng)濟和海洋運輸業(yè)的發(fā)展，遙控閥門系統(tǒng)成為大型化，高自動化船舶 中必須配置的設(shè)備之一，而閥門驅(qū)動器則是實現(xiàn)船用閥門遙控系統(tǒng)國產(chǎn)化的關(guān)鍵部 件。特別是針對化學(xué)制品船、油船能帶有危險性的船舶有其重要的作用。隨著 工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，國內(nèi)外的多家船舶制造商都開始將總線控制技術(shù)引入 到船舶自動化系統(tǒng)中，從而提高了

2、船用閥門控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在談到我國閥門行業(yè)的現(xiàn)狀時，北京市市政工程設(shè)計研究總院教授級高級工程 師王光杰、張延蕙認為，雖然我國從事閥門生產(chǎn)的企業(yè)很多，但多屬中小企業(yè)。少 數(shù)小企業(yè)既無圖紙，也無工藝，更沒有技術(shù)人員，產(chǎn)品不符合國家標準，甚至生產(chǎn) 假冒偽劣產(chǎn)品，嚴重擾亂了閥門市場，也浪費了寶貴的資源。不少大的國有企業(yè)面 臨著包袱重、 資金困難、 技術(shù)陳舊的問題， 又沒有力量進行技術(shù)改造和投資新項目。 閥門技術(shù)與國際先進水平大概相差 10 年左右，比如一些高溫高壓和耐強腐蝕的產(chǎn) 品無法生產(chǎn)，海洋石油幵采使用的閥門要求1015年不泄漏，我們也基本達不到這種要求。長途管道輸送主線還都用的是國外產(chǎn)

3、品，國內(nèi)產(chǎn)品只能用在支線上。基于上述這一情況，本文設(shè)計了基于嵌入式智能閥門控制器的設(shè)計?？刂破鞯?設(shè)計用 ARM 微處理器，集測量、控制和遠程傳輸于一體。通信部分的設(shè)計采用工 業(yè)控制計算機、通過 CAN 總線與電液閥控制器通信，可以實現(xiàn)遠程控制閥門開關(guān)、實時顯示閥門的各相關(guān)信息等。軟件設(shè)計采用Visual Basic 6.0實現(xiàn)對下位機控制系統(tǒng)的信息采集、處理與遠程監(jiān)控等。然后進行初步的分析設(shè)計和進一步的實施， 通過VB編寫需要的程序，最后對系統(tǒng)總體性能進行測試研究。1緒論1.1課題研究背景按照閥門驅(qū)動性質(zhì)劃分，管路上閥門的驅(qū)動裝置主要有液壓驅(qū)動、電氣驅(qū) 動、氣動驅(qū)動以與電液驅(qū)動等，各種方式都

4、有其優(yōu)缺點。傳統(tǒng)的船用閥門普遍 采用液壓驅(qū)動方式，液壓驅(qū)動是以一定壓力的油液作為工作介質(zhì)來驅(qū)動液壓驅(qū) 動頭來工作，并將驅(qū)動頭的水平運動轉(zhuǎn)換為幵關(guān)閥門的操作。其中每個閥門須 兩根由銅管制成的油路管作用于閥門，從而實現(xiàn)對閥門的幵啟、關(guān)閉，以與調(diào) 節(jié)控制，所以控制裝置與執(zhí)行裝置之間的距離一般又比較遠，故使得這種閥門 控制方式既浪費銅材又增加了船體自身的重量，還占據(jù)了船體有限的空間?；趥鹘y(tǒng)閥門控制的這一缺點，國內(nèi)外的多家船舶制造商幵始研究新的解 決方案。一種基于現(xiàn)場總線的電子液壓驅(qū)動方式逐漸被引入到船舶閥門制造領(lǐng) 域?，F(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置 之間實現(xiàn)雙向、串

5、行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)?，F(xiàn)場總線體現(xiàn)了分布、幵放、 互聯(lián)、高可靠性的特點。1.2 課題研究的意義與內(nèi)容近年來，隨著船舶自動化程度的提高，越來越多的油船、化學(xué)制品船都采 用遠程閥門遙控系統(tǒng)，一來體現(xiàn)了閥門遙控系統(tǒng)的迅速發(fā)展，二來提高了其安 全性、穩(wěn)定性和可靠性，成為了船舶貨油系統(tǒng)和壓載水系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有力保 障。我國作為造船大國，每年船舶的產(chǎn)量都在數(shù)百上千艘，在世界上與日本相 當且僅次于韓國。隨著國際造船業(yè)日益向著自動化、智能化、舒適化等目標發(fā) 展，船舶對于裝卸自動化系統(tǒng)以與動力、滑油冷卻、消防等系統(tǒng)的高端配套設(shè) 備提出了更高的要求。 通常船舶上的閥門很多， 其中大部分工作在危險的地方， 這些

6、危險的地方就需要閥門遙控系統(tǒng)來精確的控制它們的開關(guān)。但是我國的閥 門遙控系統(tǒng)以與其所屬的船舶裝卸自動化系統(tǒng)技術(shù)幾乎都被國外產(chǎn)品所壟斷， 我國自主生產(chǎn)率極低，所以發(fā)展我國船舶閥門遙控系統(tǒng)自主化刻不容緩。嵌入式系統(tǒng)的引進，可提高遙控系統(tǒng)的精確度，提升設(shè)備的性能和優(yōu)化其 結(jié)構(gòu)。針對其結(jié)構(gòu)特點開發(fā)相應(yīng)軟件的程序員不需要知道設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)，也 不需要知道其具體的工作原理，就可以開發(fā)出想對應(yīng)的工業(yè)軟件，這在一定程 度上減輕了推廣智能閥門遠程遙控系統(tǒng)的難度。1.3 課題研究的目的本文研究了船用閥門控制器的設(shè)計，此次設(shè)計綜合利用了嵌入式系統(tǒng)，總線 技術(shù)，工業(yè)控制等，完成了船用智能閥門控制器的設(shè)計。船用智能閥門

7、控制器的設(shè) 計不僅提高了生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性，也促進了工業(yè)化的高速發(fā)展，在每次的設(shè)計 與突破之中，船用閥門控制器會得到不斷的創(chuàng)新與發(fā)展。同時，也提高了我獨立思考問題的能力，進一步讓我了解到了關(guān)于船用閥門的技術(shù)知識2 CAN 總線與嵌入式技術(shù)2.1 CAN 總線CAN 是 Controller Area Network 的縮寫， 是 ISO 國際標準化的串行通信協(xié)議。在當前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型與對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線 束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線

8、束的數(shù)量”、“通過多個 LAN ，進行大 量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要， 1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的 CAN 通信協(xié)議。此后， CAN 通過 ISO11898 與 ISO11519 進行了標準化， 現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議。CAN 屬于現(xiàn)場總線的范疇 , 它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串 行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前許多 RS-485 基于 R 線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言 , 基 于 CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：（ 1 ）網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強。（ 2 ）開發(fā)周期短。（3）已形成國際標準的現(xiàn)場總線。（4）最有前途的現(xiàn)場總線之一。相對

9、其它總線技術(shù)， CAN 總線又有如下優(yōu)點：（1）具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點。（2）采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作。（ 3）具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到 CAN-bus 上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)。（ 4）可根據(jù)報文的 ID 決定接受或屏蔽該報文。（5）可靠的錯誤處理和檢錯機制。（6）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)。（7）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能。（8）報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。211 CAN 總線的產(chǎn)生與發(fā)展控制器局部網(wǎng)( CAN CONTROLLE

10、R AREA NETWORK )是 BOSCH 公 司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、 實時性等優(yōu)點現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀 器以與建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普與推廣。隨著計算機硬件、軟件技術(shù)與集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已 成為計算機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對 系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多 元化，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。由于 CAN 為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信 報

11、文的標準化。為此， 1991 年 9 月 PHILIPS SEMICONDUCTORS 制訂并發(fā) 布了 CAN 技術(shù)規(guī)范( VERSION 2.0 )。該技術(shù)規(guī)范包括 A 和 B 兩部分。 2.0A 給出了曾在 CAN 技術(shù)規(guī)范版本 1.2 中定義的 CAN 報文格式，能提供 11 位地 址；而 2.0B 給出了標準的和擴展的兩種報文格式， 提供 29 位地址。 此后，1993 年 11 月 ISO 正式頒布了道路交通運載工具 - 數(shù)字信息交換 - 高速通信控制器 局部網(wǎng)( CAN )國際標準( ISO11898 )，為控制器局部網(wǎng)標準化、規(guī)范化推 廣鋪平了道路。212 CAN 總線的特點CA

12、N 總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖 維。通信速率可達 1MBPS 。 CAN 總線通信接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層 和數(shù)據(jù)鏈路層功能， 可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理， 包括位填充、 數(shù)據(jù)塊編碼、 循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。 CAN 協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳 統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制， 數(shù)據(jù)塊的標識碼可由 11 位或 29 位二進 制數(shù)組成，因此可以定義 2 或 2 個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式， 還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有

13、 用。數(shù)據(jù)段長度最多為 8 個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài) 與測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時， 8 個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了 通信的實時性。 CAN 協(xié)議采用 CRC 檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證 了數(shù)據(jù)通信的可靠性。 CAN 卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別 適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為 最有前途的現(xiàn)場總線之一。 CAN 總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主 站運行和分散仲裁的串行總線以與廣播通信的特點。 CAN 總線上任意節(jié)點可 在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之 間實現(xiàn)自

14、由通信。 CAN 總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟， 控制的芯片已經(jīng)商品化， 性價比高， 特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。 CAN 總線插卡可以任意插在 PC AT XT 兼容機上， 方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。 且其結(jié)構(gòu)簡單， 只有兩根線與外部連接， 并且內(nèi)部集成了錯誤探測和管理模塊。213 CAN 總線技術(shù)介紹由于數(shù)據(jù)處理對傳輸速度有很高的要求，所以要對數(shù)據(jù)進行實時處理就要 求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。 在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時 ,要求快速 地進行總線分配。 CAN 總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送,報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先

15、級。這種優(yōu)先級一旦 在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解 決。CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負 載較重時有很多優(yōu)點，因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。對于主站的可靠性，由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制，所有主要通信，包括總線讀取 （許可）控制，在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。不同于其它總線， CAN總線協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。但是可以將發(fā)生的 任何錯誤用信號發(fā)出，CAN總線協(xié)議使

16、用的檢查錯誤的方法有以下五種：（1 ）循環(huán)冗余檢查（2）幀檢查（3 ）應(yīng)答錯誤（4 ）總線檢測（5）位填充如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或者多個錯誤，它將發(fā)送出錯 標志終止當前發(fā)送。這可以組織其它站接受錯誤的數(shù)據(jù)，并保證網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù) 的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。但是這種方法存在一個問題，即一個發(fā)生錯誤的站將導(dǎo)致所有的數(shù)據(jù)被終止，其中也包括正確的數(shù)據(jù)，所以，如果不采取自檢測措施，總線系統(tǒng)應(yīng)采用 模塊化設(shè)計。因此，CAN總線協(xié)議提供一種將偶然發(fā)生的錯誤從永久發(fā)生的錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的方法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入

17、一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn)，即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當成錯誤數(shù)據(jù)而被終。2 . 2 ARM7微處理器ARM7處理器是 ARM通用32位微處理器家族的成員之一，ARM處理器具有優(yōu)異的性能，但功耗卻很低，使用門的數(shù)量也很少，這很適合用于對于功耗要求嚴格的船用閥門的應(yīng)用。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計算機(RISC )原理設(shè)計的，指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)雜指令集計算機要簡單的多，這樣的簡化實現(xiàn)了 ARM處理器的如下特點：(1 )高的指令吞吐量(2) 出色的實時中斷相應(yīng)(3) 小的、高性價比的處理器宏單元本文采用的是 LPC2119 ARM7 處理器，LPC211

18、9是基于一個支持實時仿真和跟蹤的 16/32 位ARM7TDMI-S CPU ，并帶有128/256K 字節(jié)嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘率下運行。對代碼規(guī)格有嚴格控制的應(yīng)用可使16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過 30%，而性能的損失卻很小。由于LPC2119/2129 非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4 路10位ADC、2路CAN、PWM 通道、46個GPIO以與多達9個外部中斷使它 們特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以與醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護總線。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換

19、器以與其它各種類型的 應(yīng)用。221 LPC2119 主要特性ARM 的全稱是 Advanced RISC Machines, 采用了精簡指令集計算機( Reduced Instruction Set Computer , RISC )指令結(jié)構(gòu)， ARM 微處理器包 括很多系列，下面具體介紹本文所用到的 ARM7 微處理器系列。ARM7 系列微處理器為低功耗的 32 位 RISC 處理器，小型、快速、低能 耗、集成式 RISC 內(nèi)核，用于移動通信。 ARM7 微處理器系列具有以下特點： ( 1) 16/32 位 ARM7TDMI-S 核，超小 LQFP64 封裝。( 2) 16 kB 片內(nèi)靜態(tài)

20、RAM 。(3) 128/256 kB片內(nèi)Flash程序存儲器，128位寬度接口 /加速器可實現(xiàn)高達 60 MHz 工作頻率。(4) 通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)o 512 字節(jié)行編程時間為 1ms 。單扇區(qū)或整片擦除時間為 400ms 。(5) EmbeddedICE-RT可實現(xiàn)斷點和觀察點。當使用片內(nèi)RealMonitor軟件對前 臺任務(wù)進行調(diào)試時，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)運行。(6) 嵌入式跟蹤宏單元(ETM )支持對執(zhí)行代碼進行無干擾的高速實時跟蹤。(7) 2個互連的CAN接口，帶有先進的驗收濾波器。(8) 4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至2.4

21、4血。2(9) 多個串行接口，包括 2個16C550工業(yè)標準UART、高速I C接口( 400 kbit/s ) 和2個SPI接口(10 )通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。(11)向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。( 12) 2個32 位定時器(帶 4路捕獲和 4路比較通道)、 PWM 單元( 6路輸出)、實 時時鐘和看門狗。(13) 多達46個通用I/O 口(可承受5V電壓)，9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引 腳。(14) 片內(nèi)晶振頻率范圍：130 MHz o( 15) 2個低功耗模式：空閑和掉電。(16 )通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。(17 )可通過個別

22、使能/禁止外部功能來優(yōu)化功耗。( 18 )雙電源 oCPU操作電壓范圍：1.65 1.95 V(1.8 V ± 0.15 V)I/O操作電壓范圍：3.03.6 V(3.3 V ± 10%)，可承受5V電壓。其結(jié)構(gòu)圖如圖 2-1 所示：ARM?內(nèi) $ SR KfHSRAM雷齡FLAEH控期耦述闢冊口ARM7JDMSNAHHR中剛:為普*F空撫別!匕AMD AIIBV'MnVAH-4i*«XHH U VPIIVFH|折甘蝴Sn1幽G郭kHH ASHF IWII：HVI71WI :<JA*'riHUINSVilVU*RDM*M£t-

23、9; IWN時器VISPI Lhlftt 口i iMf用卩 .!-_.-_ 部EVI RT d.Ak l I置刼|時h pm*na£；N 幌 H D 盤 I圖2-1 : LPC2319結(jié)構(gòu)圖CAN ）是一個串行通信CAN 的應(yīng)用范圍很廣，從CAN ）是一個串行通信CAN 的應(yīng)用范圍很廣，從LPC2119 包含兩個 CAN 控制器，控制器局域網(wǎng) 協(xié)議，它能有效支持高安全登記的分布實時控制、 高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用 CAN 其特性包括如下幾點：（ 1 ）單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mb/s 。（ 2 ） 32 位寄存器和 RAM 訪問。（ 3 ）兼容 CAN2.0B 、

24、 ISO 11898-1 規(guī)范。222 LPC2119 的 CAN 控制器LPC2119 包含兩個 CAN 控制器，控制器局域網(wǎng) 協(xié)議，它能有效支持高安全登記的分布實時控制、 高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用 CAN 其特性包括如下幾點：（ 1 ）單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mb/s 。（ 2 ） 32 位寄存器和 RAM 訪問。（ 3 ）兼容 CAN2.0B 、 ISO 11898-1 規(guī)范。3 總體方案設(shè)計3.1 閥門端簡介 閥門遙控系統(tǒng)對于船舶制造來說是其重要的組成部分，特別對于油船、化學(xué)制品船之類的特殊作用船類來說，要求更為嚴格。傳統(tǒng)的船用閥門一般采用液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動、氣動驅(qū)

25、動方式。處于安全因素的考慮，電纜線不允許下到船艙內(nèi)，所以不得不采用液壓驅(qū)動的方式。液壓驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)由液壓泵站、電氣控制臺、 電磁閥箱、液壓驅(qū)動頭以與閥門組成。 其結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示：rr '= IT近稈拎制畫 橫模世管邨?I的Jt制臺一J_-*#>動力單元1r安裝于甲M±. I的應(yīng)益操作閥l_安裝T趣動器上 的應(yīng)急操作閥站雙作H驅(qū)動器収作用驅(qū)動器的開關(guān)量樓擬童圖3-1 :液壓驅(qū)動閥門結(jié)構(gòu)圖但是這種方案的缺點很明顯，一來只能用在干式場合（散貨船、集裝箱船等）不能用于浸沒式的場合（油船、化學(xué)品船能）；其次總體維修成本高，可靠性相對 較差。所以可以看出，液壓驅(qū)動閥門遙

26、控系統(tǒng)具有總體價格便宜，容易維護，且適 用范圍廣的特點；而電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)具有將液壓和電氣集中在一起，省去了 電磁閥箱和液壓泵站的特點，但存在一般不能用于需安裝在浸沒場合的缺點。3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計 首先對系統(tǒng)進行分析后可知，基于 CAN 總線的智能閥門應(yīng)有如下功能：(1) 接收電機電流檢測信號，與額定電流進行比較，用來控制電機的起停與正反轉(zhuǎn)， 并實現(xiàn)電機故障檢測與保護。(2) 接收控制信號與壓力反饋信號，將兩者進行比較，進一步實現(xiàn)對電機故障的檢 測與保護。；(3) 實現(xiàn)零點，行程，靈敏度以與電機額定電流等參數(shù)的設(shè)定。(4) 具有 CAN 通信接口，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。所以得先對電機的電流大小和

27、壓力的大小有所了解，才能進一步進行設(shè)計。用 一個簡單的控制器控制電機的啟動和停止，簡單控制過程是：閥門啟動，全部打開 后 3 秒鐘停止，過 5 秒鐘重新啟動，閥門開始關(guān)閉，全部關(guān)閉后 3 秒鐘停止，過 5 秒鐘重新啟動，循環(huán)前面。運行結(jié)果如圖3-2所示:圖3-2 :運行圖從圖中電流的變化過程我們可以看到，在閥門全幵或是全閉之后可以看到電流 會變大，根據(jù)這一點可以控制電機的啟停和正反轉(zhuǎn)。以上功能分析可以看出，系統(tǒng)功能的要求并不復(fù)雜。這里控制器CPU選擇LPC2119 ARM7 處理器，其高性能、低功耗領(lǐng)域發(fā) 統(tǒng)總體 如圖的特點可以在工業(yè)圖 3-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.3 控制器硬件設(shè)計控制器的設(shè)計

28、主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)的根本，只 有在完善的硬件上才能編出完善的軟件來運行整個系統(tǒng)，從而使整個系統(tǒng)達到理想 的結(jié)果。啟動電源后， ARM 主機開始系統(tǒng)初始化， 如操作系統(tǒng)初始化， I/O 初始化， 定時器初始化，串口初始化，創(chuàng)建任務(wù)如采樣、保護、通信、調(diào)試等任務(wù)，最后進 入正常監(jiān)控運行狀態(tài)。系統(tǒng)通過 CAN 總線與上位機或者網(wǎng)關(guān)連接，測控模塊完成 電流信號、開關(guān)量的采集，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置執(zhí)行相應(yīng)的動作。根據(jù)設(shè)計要求， 本文中的 ARM 開發(fā)基于 LPC2119 微處理器，需開發(fā)如下電路： 復(fù)位電路、時鐘電路、穩(wěn)壓電源電路等基本電路，壓力信號采集、電流信號采集等 前項通道的

29、電路設(shè)計，電機控制電路后項通道的電路設(shè)計，通信電路的設(shè)計等。33 1 最小應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計（1）復(fù)位電路LPC2119 開始執(zhí)行程序前，首先要對機器內(nèi)部的全部寄存器、 I/O 接口等進行 復(fù)位，所以整個設(shè)計中首先需要一個復(fù)位電路。 LPC2119/2129/2194/2292/2294 有兩個復(fù)位源： RESET 管腳和看門狗復(fù)位。 RESET 管腳為施密特觸發(fā)輸入管腳，帶有一個額外的干擾濾波器。任何復(fù)位源提供的芯片復(fù)位都會啟動喚醒定時器，復(fù) 位將保持有效直至外部復(fù)位撤除，振蕩器幵始運行。當計數(shù)達到一個固定個數(shù)的時 鐘時，F(xiàn)lash控制器完成其初始化。(2 )時鐘電路LPC2119內(nèi)部集成時

30、鐘電路，可以給系統(tǒng)運行提供準確的時鐘。(3)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計為了確保整個系統(tǒng)能夠有效的運行，我們必須有一個電源模塊，且它的精度對于整個系統(tǒng)而言有著重要的影響。我們所需要的直流穩(wěn)壓源包括電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分，在經(jīng)過這四部分后可以得到比較穩(wěn)定的直流電源，但是通 常這樣得到的電壓還會有波動，并不是十分穩(wěn)定的，所以需要加個穩(wěn)壓電路。直流 穩(wěn)壓電路如圖3-4所示:圖3-4直流穩(wěn)壓電源電路本系統(tǒng)提供電壓，系統(tǒng)中所用工作電壓需要+12V還需要+5V，故用集成穩(wěn)壓器LM78M05將+12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓，這類穩(wěn)壓器所需外接元件少，因為其芯片內(nèi)部已經(jīng)設(shè)有過流、過熱保護以與調(diào)整管安全保護電

31、路，所以使用非常方便，而且可靠，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。電源電路如圖3-7所示，電路中接入電容用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩和抑制電路中引入的高頻干擾，電解電容用以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。33 2 前項通道的設(shè)計前項通道設(shè)計即閥門端的硬件設(shè)計，一般包括信號采集、信號調(diào)節(jié)以與信號轉(zhuǎn) 換等電路，是微處理器和被測對象與控制參數(shù)輸入部分之間聯(lián)系必不可少的橋梁。（1）電機電流反饋信號輸入接口 為了保證電機的正常運行，需要在電機運行時對電機的實際電流進行檢測，并 將檢測結(jié)果與額定電流進行比較，還要注意進行過流、堵轉(zhuǎn)等故障處理。在電機運 行時會出現(xiàn)一些非正常狀態(tài)，一般當

32、檢測到電動機電流超過額定電流的 28 倍時， 可以說其處于非正常狀態(tài)，當然如果這種情況很短暫的，可以不把其認為是非正常 狀態(tài)?？刂破髟趯z測到的電流進行處理時，根據(jù)電機電流與額定電流的比值大小 確定時間 t ，如果電機在一定時間 t 內(nèi)保持過流，則斷開電機，發(fā)出報警信號；如 果電機電流是額定電流的 810 倍，則判斷為電機短路，則立即斷開電機，發(fā)出報 警信號；當檢測到電流小于額定電流的 0.6 倍，如果電機電流小于額定電流的 0.6 倍達到一定的時間，則認為電機斷相，立即斷開電機，發(fā)出報警信號。經(jīng)過分析， 本系統(tǒng)采用霍爾型電流互感器對電機電流進行檢測。關(guān)于霍爾型電流傳感器這里不 做詳細介紹。本

33、系統(tǒng)選用的是300W/220V 的單相交流電機，故選擇SENSOR （北 京森社）霍爾電流傳感器 CHS-3A/V1 ，其額定電流為 3A 、可隔離測量交流電流、 輸出15V直流標準信號、電源電壓為 12V。電機電流經(jīng)過霍爾型電流傳感器，輸 出為 15V 標準電壓，經(jīng)其電壓比較器 LM393 ，輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，電路如圖 3-5 所示：圖3-5電機電流檢測電路（2 ）壓力反饋信號輸入接口由于閥門系統(tǒng)是建立在油壓的基礎(chǔ)上，經(jīng)過傳輸、處理，送至控制器，再經(jīng)過系統(tǒng) 的比較、分析作出相應(yīng)的控制判斷，從而使整個系統(tǒng)可靠的運行。根據(jù)分析，本系 統(tǒng)采用PTP503油壓變送器，PTP503油壓變送器采用不銹

34、鋼整體構(gòu)件，進口彈性 原件，高精度應(yīng)變計與先進的貼片工藝，油壓變送器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、良好的抗沖擊能力。其主要技術(shù)參數(shù)如下：壬口量程：-0.1 0 1 150(MPa)綜合精度：0.25%FS、0.5%FS、1.0%FS輸出信號：420mA（二線制）、05V、15V、010V（三線制）供電電壓：24DCV(9 36DCV)介質(zhì)溫度：-20 85 150 C環(huán)境溫度：常溫(-2085 C )負載電阻：電流輸出型：最大 800 Q;電壓輸出型：大于50K Q絕緣電阻：大于 2000M Q (100VDC)密封等級：IP65長期穩(wěn)定性能：0.1%FS/年振動影響：在機械振動頻率20Hz1000

35、Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS電氣接口（信號接口）：緊線螺母+四芯屏蔽線機械連接（螺紋接口）：1/2-20UNF 、M14 X 1.5、M20 X 1.5、M22 X等1,5其它螺紋可依據(jù)客戶要求設(shè)計外形尺寸： M20 X26 X 115由壓力傳感器采集到的模擬量壓力反饋信號經(jīng)電壓比較器LM393，輸出數(shù)字量信號，再輸入微處理器I/O 口，壓力反饋信號拾取電路圖如圖3-6所示：圖3-6壓力反饋信號拾取電路3 . 3 . 3后項通道設(shè)計后項通道的設(shè)計主要是針對電機正反轉(zhuǎn)控制電路的設(shè)計，電機正反轉(zhuǎn)控制部分要求電機能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的換向功能，并且要求正反轉(zhuǎn)互鎖。本文選用固態(tài)繼電器（Solid Stat

36、e Relay ，簡稱SSR）作為幵關(guān)器件。微處理器的控制信號經(jīng)過光耦TPL521-1隔離，將信號傳給繼電器驅(qū)動單相電機正反轉(zhuǎn)。其電路如圖 3-7所示：圖3-7電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路4軟件介紹上面詳細介紹了整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，該章將重點介紹系統(tǒng)的軟件部分的 設(shè)計。一個系統(tǒng)能否有效的運行，很大程度上取決于軟件設(shè)計的優(yōu)劣。一個合理的 軟件設(shè)計能夠充分發(fā)揮微處理器的運算和邏輯控制能力，可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功 能。4.1控制器軟件設(shè)計控制器的編程選用 ADS1.2軟件，ADS1.2是一個使用方便的集成幵發(fā)環(huán)境，全稱是ARM Developer Suite v1.2。它是由ARM公司提供的專門用于 AR

37、M相關(guān)應(yīng)用幵發(fā)和調(diào)試的綜合性軟件。在功能和易用性上比較 SDT都有提高，是一款功能 強大又易于使用的幵發(fā)工具。ADS囊括了一系列的應(yīng)用，并有相關(guān)的文檔和實例的 支持。使用者可以用它來編寫和調(diào)試各種基于ARM家族RISC處理器的應(yīng)用。ADS主要由以下部件構(gòu)成：（1 ）命令行幵發(fā)工具（2）圖形界面幵發(fā)工具（3）各種輔助工具（4 ）支持軟件本文中的CAN總線和各閥門端的關(guān)系如圖 4-1所示：圖4-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖根據(jù)分析，本文需要對 CAN總線實現(xiàn)初始化、設(shè)置中斷響應(yīng)函數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。流程圖如圖4-2所示：圖 4-2 CAN 總線流程圖這里分布介紹：(1) 初始化 CAN使用 CANInit()

38、 函數(shù)完成創(chuàng)建 CAN 控制器所需要的軟硬件資源，并完成對應(yīng)的引腳功能配置。CanInit(CAN1,pucCanArg,NULL); / 初始化 CAN 控制器 0(2) 設(shè)置中斷響應(yīng)函數(shù)在初始化 CAN 控制器之后，收發(fā)數(shù)據(jù)之前，應(yīng)該使用 SetVICIRQ() 函數(shù)設(shè)置 CAN 中斷響應(yīng)函數(shù)。在 can.h 頭文件中已經(jīng)提供 CAN 的中斷服務(wù)函數(shù)，只需要使 用 SetVICIRQ() 函數(shù)對其進行設(shè)置即可。SetVICIRQ(CAN_IRQ_CHN,7,(uint32)Can_ISR); / 設(shè)置中斷響應(yīng)函數(shù)，優(yōu) 先級 7(3) 發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)送使用 CanWrite() 函數(shù)，以幀

39、格式進行。 發(fā)送數(shù)據(jù)前， 需要根據(jù) CAN 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)填寫發(fā)送數(shù)據(jù)，然后使用 CanWrite() 函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到 CAN 總線。CANINFO dat1; / 發(fā)送緩沖，大小為 1 幀/ 填充 CAN 發(fā)送數(shù)據(jù)， 擴展幀，數(shù)據(jù)長度為 8，/ 數(shù)據(jù) 0x11 0x22 0x33 0x44 0x55 0x66 0x77 0x88 0x99dat0.canrfs =FILFRAME(0X88,FRAME_DATA,FRAME_EXT);/ 填充幀信息/ 數(shù)據(jù)dat0.canid =0x55; / 幀 IDdat0.candat0 =0x44332211;dat0.candat1 =0x88776

40、655; / 數(shù)據(jù)CanWrite(CAN1,dat,1,NULL); / 發(fā)送 1 幀數(shù)據(jù)(4) 接收數(shù)據(jù)CAN 總線數(shù)據(jù)的接收通過 CanRead() 函數(shù)完成。CANINFO dat1; / 接收數(shù)據(jù)If(1 = CanRead(CAN1,dat,1,NULL) / 讀 1 幀數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)處理4.2 VB 監(jiān)控軟件設(shè)計VB6.0 全稱為 Visual Basic6.0 ，它是一種開發(fā)圖形用戶界面的基于 Basic 的可 視化程序設(shè)計軟件。在 Visual Basic 6.0 中，一方面繼承了先輩 Basic 所具有的程 序語言簡單易用的特點，另一方面在其編程系統(tǒng)中采用了面向?qū)ο?、事件?qū)動的

41、編 程機制，提供了一種所見即所得的可視化程序設(shè)計方法。通過 Visual Basic 提供的 MSComm 串行通信對象，可以很容易的編寫相關(guān)的串 行通信程序如下：Private Sub Com_open_Click()On Error GoTo err1If MSComm1.PortOpen = True ThenMSComm1.PortOpen = FalseEnd IfIf Not MSComm1.PortOpen ThenMSComm1.CommPort = Com_port.Text'通信口'串口參數(shù)設(shè)置MSComm1.Handshaking = 0'握手信號MSComm1.Settings = "9600,E,8,1"MSComm1.PortOpen = TrueCom_fig.FillCo