船用閥門(mén)控制器的設(shè)計(jì)

1、前言從上個(gè)世紀(jì)的“十閥九漏”，到目前不少產(chǎn)品出口國(guó)外，我國(guó)的閥門(mén)行業(yè)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。但來(lái)自中國(guó)通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)閥門(mén)會(huì)的資料顯示，我國(guó)每年閥門(mén)市場(chǎng)成交額高達(dá)500億左右，其中卻有100多億元的市場(chǎng)被國(guó)外閥門(mén)企業(yè)占領(lǐng)，要改變這種現(xiàn)狀，通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)提高閥門(mén)質(zhì)量是關(guān)鍵。隨著全球經(jīng)濟(jì)和海洋運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，遙控閥門(mén)系統(tǒng)成為大型化，高自動(dòng)化船舶中必須配置的設(shè)備之一，而閥門(mén)驅(qū)動(dòng)器則是實(shí)現(xiàn)船用閥門(mén)遙控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵部件。特別是針對(duì)化學(xué)制品船、油船能帶有危險(xiǎn)性的船舶有其重要的作用。隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的多家船舶制造商都開(kāi)始將總線控制技術(shù)引入到船舶自動(dòng)化系統(tǒng)中，從而提高了船用閥門(mén)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2、在談到我國(guó)閥門(mén)行業(yè)的現(xiàn)狀時(shí)，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院教授級(jí)高級(jí)工程師王光杰、張延蕙認(rèn)為，雖然我國(guó)從事閥門(mén)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(wú)圖紙，也無(wú)工藝，更沒(méi)有技術(shù)人員，產(chǎn)品不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，甚至生產(chǎn)假冒偽劣產(chǎn)品，嚴(yán)重?cái)_亂了閥門(mén)市場(chǎng)，也浪費(fèi)了寶貴的資源。不少大的國(guó)有企業(yè)面臨著包袱重、資金困難、技術(shù)陳舊的問(wèn)題，又沒(méi)有力量進(jìn)行技術(shù)改造和投資新項(xiàng)目。閥門(mén)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平大概相差10年左右，比如一些高溫高壓和耐強(qiáng)腐蝕的產(chǎn)品無(wú)法生產(chǎn)，海洋石油開(kāi)采使用的閥門(mén)要求1015年不泄漏，我們也基本達(dá)不到這種要求。長(zhǎng)途管道輸送主線還都用的是國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品只能用在支線上?；谏鲜鲞@一情況，本文設(shè)計(jì)了

3、基于嵌入式智能閥門(mén)控制器的設(shè)計(jì)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)用ARM微處理器，集測(cè)量、控制和遠(yuǎn)程傳輸于一體。通信部分的設(shè)計(jì)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、通過(guò)CAN總線與電液閥控制器通信，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)、實(shí)時(shí)顯示閥門(mén)的各相關(guān)信息等。軟件設(shè)計(jì)采用Visual Basic 6.0實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)的信息采集、處理與遠(yuǎn)程監(jiān)控等。然后進(jìn)行初步的分析設(shè)計(jì)和進(jìn)一步的實(shí)施，通過(guò)VB編寫(xiě)需要的程序，最后對(duì)系統(tǒng)總體性能進(jìn)行測(cè)試研究。1緒論1.1課題研究背景按照閥門(mén)驅(qū)動(dòng)性質(zhì)劃分，管路上閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)裝置主要有液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及電液驅(qū)動(dòng)等，各種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的船用閥門(mén)普遍采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，液壓驅(qū)動(dòng)是以一定壓力的油

4、液作為工作介質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)頭來(lái)工作，并將驅(qū)動(dòng)頭的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)閥門(mén)的操作。其中每個(gè)閥門(mén)須兩根由銅管制成的油路管作用于閥門(mén)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉，以及調(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(yuǎn)，故使得這種閥門(mén)控制方式既浪費(fèi)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(mén)控制的這一缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的多家船舶制造商開(kāi)始研究新的解決方案。一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電子液壓驅(qū)動(dòng)方式逐漸被引入到船舶閥門(mén)制造領(lǐng)域?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制裝置之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線體現(xiàn)了分布、開(kāi)放、互聯(lián)、高可靠性的特點(diǎn)。1.2課題研究

5、的意義及內(nèi)容 近年來(lái)，隨著船舶自動(dòng)化程度的提高，越來(lái)越多的油船、化學(xué)制品船都采用遠(yuǎn)程閥門(mén)遙控系統(tǒng)，一來(lái)體現(xiàn)了閥門(mén)遙控系統(tǒng)的迅速發(fā)展，二來(lái)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(yùn)行的有力保障。我國(guó)作為造船大國(guó)，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(dāng)且僅次于韓國(guó)。隨著國(guó)際造船業(yè)日益向著自動(dòng)化、智能化、舒適化等目標(biāo)發(fā)展，船舶對(duì)于裝卸自動(dòng)化系統(tǒng)以及動(dòng)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(mén)很多，其中大部分工作在危險(xiǎn)的地方，這些危險(xiǎn)的地方就需要閥門(mén)遙控系統(tǒng)來(lái)精確的控制它們的開(kāi)關(guān)。但是我國(guó)的閥門(mén)遙控系統(tǒng)以及其所屬的船舶裝卸自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)

6、幾乎都被國(guó)外產(chǎn)品所壟斷，我國(guó)自主生產(chǎn)率極低，所以發(fā)展我國(guó)船舶閥門(mén)遙控系統(tǒng)自主化刻不容緩。嵌入式系統(tǒng)的引進(jìn)，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(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)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(kāi)發(fā)出想對(duì)應(yīng)的工業(yè)軟件，這在一定程度上減輕了推廣智能閥門(mén)遠(yuǎn)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(mén)控制器的設(shè)計(jì)，此次設(shè)計(jì)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(mén)控制器的設(shè)計(jì)。船用智能閥門(mén)控制器的設(shè)計(jì)不僅提高了生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性，也促進(jìn)了工業(yè)化的高速發(fā)展，在每次的設(shè)計(jì)與突破之中，船用閥門(mén)控制器會(huì)得到不斷

7、的創(chuàng)新與發(fā)展。同時(shí)，也提高了我獨(dú)立思考問(wèn)題的能力，進(jìn)一步讓我了解到了關(guān)于船用閥門(mén)的技術(shù)知識(shí)。2 CAN總線與嵌入式技術(shù)2.1 CAN總線CAN 是Controller Area Network 的縮寫(xiě)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)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(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類(lèi)型及對(duì)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)“減少線束的數(shù)量”、“通過(guò)多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車(chē)的CAN 通信協(xié)議。此后，C

8、AN 通過(guò)ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)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(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)。（2）開(kāi)發(fā)周期短。（3）已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。（4）最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。相對(duì)其它總線技術(shù)，CAN總線又有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。（2）采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作。（3）具有優(yōu)

9、先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)。（4）可根據(jù)報(bào)文的ID決定接受或屏蔽該報(bào)文。（5）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制。（6）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)。（7）節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能。（8）報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。211 CAN總線的產(chǎn)生與發(fā)展控制器局部網(wǎng)（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多

10、部門(mén)?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國(guó)迅速普及推廣。 隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)步。由于對(duì)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(fù)載分散、功能分散、危險(xiǎn)分散和地域分散。 由于CAN為愈來(lái)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(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)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(bào)文格

11、式，能提供11位地址；而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)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(yùn)載工具-數(shù)字信息交換-高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。212 CAN總線的特點(diǎn)CAN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(dá)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(duì)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(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。

12、采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義2或2個(gè)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(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)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(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 CA

13、N總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)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(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有兩根線與外部連接，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。213 CAN總線技術(shù)介紹由于數(shù)據(jù)處理對(duì)傳輸速度有很高的要求，所以要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)站同時(shí)需

14、要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),要求快速地進(jìn)行總線分配。CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在11位標(biāo)識(shí)符中,具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過(guò)位仲裁解決。CAN具有較高的效率是因?yàn)榭偩€僅僅被那些請(qǐng)求總線懸而未決的站利用,這些請(qǐng)求是根據(jù)報(bào)文在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn),因?yàn)榭偩€讀取的優(yōu)先級(jí)已被按順序放在每個(gè)報(bào)文中了,這可以保證在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。對(duì)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(shí)現(xiàn)

15、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(cuò)誤用信號(hào)發(fā)出，CAN總線協(xié)議使用的檢查錯(cuò)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(cuò)誤（4）總線檢測(cè)（5）位填充 如果至少有一個(gè)站通過(guò)以上方法探測(cè)到一個(gè)或者多個(gè)錯(cuò)誤，它將發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志終止當(dāng)前發(fā)送。這可以組織其它站接受錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，并保證網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)的一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會(huì)自動(dòng)地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。但是這種方法存在一個(gè)問(wèn)題，即一個(gè)發(fā)生錯(cuò)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(cè)措施，總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)。因此，CAN總線協(xié)議提供一

16、種將偶然發(fā)生的錯(cuò)誤從永久發(fā)生的錯(cuò)誤和局部站失敗中區(qū)別出來(lái)的方法。這種方法可以通過(guò)對(duì)出錯(cuò)站統(tǒng)計(jì)評(píng)估來(lái)確定一個(gè)站本身的錯(cuò)誤并進(jìn)入一種不會(huì)對(duì)其它站產(chǎn)生不良影響的運(yùn)行方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即站可以通過(guò)關(guān)閉自己來(lái)阻止正常數(shù)據(jù)因被錯(cuò)誤地當(dāng)成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)而被終。22 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(mén)的數(shù)量也很少，這很適合用于對(duì)于功耗要求嚴(yán)格的船用閥門(mén)的應(yīng)用。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）原理設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單的多，這樣的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)了ARM處理器的如下特點(diǎn)：（1）高的指令吞吐量（2）出色的

17、實(shí)時(shí)中斷相應(yīng)（3）小的、高性價(jià)比的處理器宏單元本文采用的是LPC2119 ARM7處理器，LPC2119是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)格有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)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(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于汽車(chē)、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系

18、統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)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)換器以及其它各種類(lèi)型的應(yīng)用。221 LPC2119主要特性ARM的全稱是Advanced RISC Machines,采用了精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（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(dòng)通信。ARM7微處理器系列具有以下特點(diǎn)：（1）16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封裝。 （2）

19、16 kB片內(nèi)靜態(tài)RAM。 （3）128/256 kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60 MHz工作頻率。 （4）通過(guò)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）。512字節(jié)行編程時(shí)間為1ms。單扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400ms。 （5）EmbeddedICE-RT可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)使用片內(nèi)RealMonitor軟件對(duì)前臺(tái)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)運(yùn)行。 （6）嵌入式跟蹤宏單元（ETM）支持對(duì)執(zhí)行代碼進(jìn)行無(wú)干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤。 （7）2個(gè)互連的CAN接口，帶有先進(jìn)的驗(yàn)收濾波器。 （8）4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44s。

20、 （9）多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I(mǎi)2C接口（400 kbit/s）和2個(gè)SPI接口。 （10）通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率。 （11）向量中斷控制器。可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址。 （12）2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗。 （13）多達(dá)46個(gè)通用I/O口（可承受5V電壓），9個(gè)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。 （15）2個(gè)低功耗模式：空閑和掉電。 （16）通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 （17）可通過(guò)個(gè)別使能/禁止外部功能來(lái)優(yōu)化功耗。 （

21、18）雙電源 。CPU操作電壓范圍：1.651.95 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： 圖2-1：LPC2119結(jié)構(gòu)圖LPC2119包含兩個(gè)CAN控制器，控制器局域網(wǎng)（CAN）是一個(gè)串行通信協(xié)議，它能有效支持高安全登記的分布實(shí)時(shí)控制、CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路接線都可以使用CAN。其特性包括如下幾點(diǎn)：（1）單個(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mb/s。（2）32位寄存器和RAM訪問(wèn)。（3）兼容CAN2.0B、ISO 11898-1規(guī)范。222 LPC211

22、9的CAN控制器LPC2119包含兩個(gè)CAN控制器，控制器局域網(wǎng)（CAN）是一個(gè)串行通信協(xié)議，它能有效支持高安全登記的分布實(shí)時(shí)控制、CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路接線都可以使用CAN。其特性包括如下幾點(diǎn)：（1）單個(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mb/s。（2）32位寄存器和RAM訪問(wèn)。（3）兼容CAN2.0B、ISO 11898-1規(guī)范。 3總體方案設(shè)計(jì)3.1閥門(mén)端簡(jiǎn)介閥門(mén)遙控系統(tǒng)對(duì)于船舶制造來(lái)說(shuō)是其重要的組成部分，特別對(duì)于油船、化學(xué)制品船之類(lèi)的特殊作用船類(lèi)來(lái)說(shuō)，要求更為嚴(yán)格。傳統(tǒng)的船用閥門(mén)一般采用液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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

23、不得不采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。液壓驅(qū)動(dòng)閥門(mén)遙控系統(tǒng)由液壓泵站、電氣控制臺(tái)、電磁閥箱、液壓驅(qū)動(dòng)頭以及閥門(mén)組成。其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1：液壓驅(qū)動(dòng)閥門(mén)結(jié)構(gòu)圖但是這種方案的缺點(diǎn)很明顯， 一來(lái)只能用在干式場(chǎng)合（散貨船、集裝箱船等），不能用于浸沒(méi)式的場(chǎng)合（油船、化學(xué)品船能）；其次總體維修成本高，可靠性相對(duì)較差。所以可以看出，液壓驅(qū)動(dòng)閥門(mén)遙控系統(tǒng)具有總體價(jià)格便宜，容易維護(hù)，且適用范圍廣的特點(diǎn)；而電液驅(qū)動(dòng)閥門(mén)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(diǎn)，但存在一般不能用于需安裝在浸沒(méi)場(chǎng)合的缺點(diǎn)。3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析后可知，基于CAN總線的智能閥門(mén)應(yīng)有如下功能：(1)

24、接收電機(jī)電流檢測(cè)信號(hào)，與額定電流進(jìn)行比較，用來(lái)控制電機(jī)的起停與正反轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障檢測(cè)及保護(hù)。(2) 接收控制信號(hào)與壓力反饋信號(hào)，將兩者進(jìn)行比較，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)故障的檢測(cè)及保護(hù)。；(3) 實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)，行程，靈敏度以及電機(jī)額定電流等參數(shù)的設(shè)定。(4) 具有CAN通信接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。所以得先對(duì)電機(jī)的電流大小和壓力的大小有所了解，才能進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)。用一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，簡(jiǎn)單控制過(guò)程是：閥門(mén)啟動(dòng)，全部打開(kāi)后3秒鐘停止，過(guò)5秒鐘重新啟動(dòng)，閥門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，全部關(guān)閉后3秒鐘停止，過(guò)5秒鐘重新啟動(dòng)，循環(huán)前面。運(yùn)行結(jié)果如圖3-2所示:圖3-2：運(yùn)行圖從圖中電流的變化過(guò)程我們可以看到，在閥

25、門(mén)全開(kāi)或是全閉之后可以看到電流會(huì)變大，根據(jù)這一點(diǎn)可以控制電機(jī)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、低功耗的特點(diǎn)可以在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3-3所示: 圖3-3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.3 控制器硬件設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)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(lái)運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到理想的結(jié)果。啟動(dòng)電源后，ARM主機(jī)開(kāi)始系統(tǒng)初始化，如操作系統(tǒng)初始化，I/O初始化，定時(shí)器初始化，串口初始化，創(chuàng)建任務(wù)如采樣、保護(hù)、通信、調(diào)試等任務(wù)，最后

26、進(jìn)入正常監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)通過(guò)CAN總線與上位機(jī)或者網(wǎng)關(guān)連接，測(cè)控模塊完成電流信號(hào)、開(kāi)關(guān)量的采集，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文中的ARM開(kāi)發(fā)基于LPC2119微處理器，需開(kāi)發(fā)如下電路：復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、穩(wěn)壓電源電路等基本電路，壓力信號(hào)采集、電流信號(hào)采集等前項(xiàng)通道的電路設(shè)計(jì)，電機(jī)控制電路后項(xiàng)通道的電路設(shè)計(jì)，通信電路的設(shè)計(jì)等。331 最小應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)（1）復(fù)位電路LPC2119開(kāi)始執(zhí)行程序前，首先要對(duì)機(jī)器內(nèi)部的全部寄存器、I/O接口等進(jìn)行復(fù)位，所以整個(gè)設(shè)計(jì)中首先需要一個(gè)復(fù)位電路。LPC2119/2129/2194/2292/2294 有兩個(gè)復(fù)位源：RESET 管腳和看門(mén)

27、狗復(fù)位。RESET 管腳為施密特觸發(fā)輸入管腳，帶有一個(gè)額外的干擾濾波器。任何復(fù)位源提供的芯片復(fù)位都會(huì)啟動(dòng)喚醒定時(shí)器，復(fù)位將保持有效直至外部復(fù)位撤除，振蕩器開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到一個(gè)固定個(gè)數(shù)的時(shí)鐘時(shí)，F(xiàn)lash控制器完成其初始化。 （2）時(shí)鐘電路LPC2119內(nèi)部集成時(shí)鐘電路，可以給系統(tǒng)運(yùn)行提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘。(3)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)為了確保整個(gè)系統(tǒng)能夠有效的運(yùn)行，我們必須有一個(gè)電源模塊，且它的精度對(duì)于整個(gè)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(guò)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(huì)有波動(dòng)，并不是十分穩(wěn)定的，所以需要加個(gè)穩(wěn)

28、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(lèi)穩(wěn)壓器所需外接元件少，因?yàn)槠湫酒瑑?nèi)部已經(jīng)設(shè)有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)以及調(diào)整管安全保護(hù)電路，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(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)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。332 前項(xiàng)通道的設(shè)計(jì)前項(xiàng)通道設(shè)計(jì)即閥門(mén)端的硬件設(shè)計(jì)，一般包括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)節(jié)以及信號(hào)轉(zhuǎn)換等電路，是微處理器和

29、被測(cè)對(duì)象及控制參數(shù)輸入部分之間聯(lián)系必不可少的橋梁。（1）電機(jī)電流反饋信號(hào)輸入接口為了保證電機(jī)的正常運(yùn)行，需要在電機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)電機(jī)的實(shí)際電流進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與額定電流進(jìn)行比較，還要注意進(jìn)行過(guò)流、堵轉(zhuǎn)等故障處理。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些非正常狀態(tài)，一般當(dāng)檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)電流超過(guò)額定電流的28倍時(shí)，可以說(shuō)其處于非正常狀態(tài)，當(dāng)然如果這種情況很短暫的，可以不把其認(rèn)為是非正常狀態(tài)?？刂破髟趯?duì)檢測(cè)到的電流進(jìn)行處理時(shí)，根據(jù)電機(jī)電流與額定電流的比值大小確定時(shí)間t，如果電機(jī)在一定時(shí)間t內(nèi)保持過(guò)流，則斷開(kāi)電機(jī)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果電機(jī)電流是額定電流的810倍，則判斷為電機(jī)短路，則立即斷開(kāi)電機(jī)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)到電流

30、小于額定電流的0.6倍，如果電機(jī)電流小于額定電流的0.6倍達(dá)到一定的時(shí)間，則認(rèn)為電機(jī)斷相，立即斷開(kāi)電機(jī)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。經(jīng)過(guò)分析，本系統(tǒng)采用霍爾型電流互感器對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)。關(guān)于霍爾型電流傳感器這里不做詳細(xì)介紹。本系統(tǒng)選用的是300W/220V的單相交流電機(jī)，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(cè)量交流電流、輸出15V直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)、電源電壓為12V。電機(jī)電流經(jīng)過(guò)霍爾型電流傳感器，輸出為15V標(biāo)準(zhǔn)電壓，經(jīng)其電壓比較器LM393，輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，電路如圖3-5所示：圖3-5電機(jī)電流檢測(cè)電路（2）壓力反饋信號(hào)輸入接口由于閥門(mén)系統(tǒng)是建立在油壓的基

31、礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)傳輸、處理，送至控制器，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的比較、分析作出相應(yīng)的控制判斷，從而使整個(gè)系統(tǒng)可靠的運(yùn)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鋼整體構(gòu)件，進(jìn)口彈性原件，高精度應(yīng)變計(jì)及先進(jìn)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：量     程： -0.101150(MPa)  綜合精度： 0.25%FS、0.5%FS、1.0%FS輸出信號(hào)： 420mA(二線制)、05V、15V、010V(三線制) 供電電壓： 24DCV(936DCV) 介質(zhì)溫度： -2085150環(huán)境

32、溫度： 常溫(-2085)負(fù)載電阻： 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50K絕緣電阻： 大于2000M (100VDC)密封等級(jí)： IP65長(zhǎng)期穩(wěn)定性能： 0.1%FS/年振動(dòng)影響： 在機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS電氣接口(信號(hào)接口)： 緊線螺母+四芯屏蔽線機(jī)械連接(螺紋接口)： 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺紋可依據(jù)客戶要求設(shè)計(jì)外形尺寸：M20×26×115由壓力傳感器采集到的模擬量壓力反饋信號(hào)經(jīng)電壓比較器LM393，輸出數(shù)字量信號(hào)，再輸入微處理器I/O口，

33、壓力反饋信號(hào)拾取電路圖如圖3-6所示：圖3-6 壓力反饋信號(hào)拾取電路333 后項(xiàng)通道設(shè)計(jì)后項(xiàng)通道的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路的設(shè)計(jì)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制部分要求電機(jī)能實(shí)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 State Relay，簡(jiǎn)稱SSR）作為開(kāi)關(guān)器件。微處理器的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦TPL521-1隔離，將信號(hào)傳給繼電器驅(qū)動(dòng)單相電機(jī)正反轉(zhuǎn)。其電路如圖3-7所示：圖3-7 電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路4軟件介紹上面詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，該章將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計(jì)。一個(gè)系統(tǒng)能否有效的運(yùn)行，很大程度上取決于軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。一個(gè)合理的軟件設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮微處理

34、器的運(yùn)算和邏輯控制能力，可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。4.1 控制器軟件設(shè)計(jì)控制器的編程選用ADS1.2軟件，ADS1.2是一個(gè)使用方便的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，全稱是ARM Developer Suite v1.2。它是由ARM公司提供的專門(mén)用于ARM相關(guān)應(yīng)用開(kāi)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(qiáng)大又易于使用的開(kāi)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(shí)例的支持。使用者可以用它來(lái)編寫(xiě)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）命令行開(kāi)發(fā)工具（2）圖形界面開(kāi)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(mén)端的關(guān)系如

35、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(duì)CAN總線實(shí)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()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(duì)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(duì)其進(jìn)行設(shè)置即可。Set

36、VICIRQ(CAN_IRQ_CHN,7,(uint32)Can_ISR); /設(shè)置中斷響應(yīng)函數(shù)，優(yōu)先級(jí)7(3) 發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)送使用CanWrite()函數(shù)，以幀格式進(jìn)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(xiě)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(kuò)展幀，數(shù)據(jù)長(zhǎng)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dat0.ca

37、nid =0x55; /幀IDdat0.candat0 =0x44332211; /數(shù)據(jù)dat0.candat1 =0x88776655; /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(guò)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(jì)VB6.0全稱為Visual Basic6.0，它是一種開(kāi)發(fā)圖形用戶界面的基于Basic的可視化程序設(shè)計(jì)軟件。在Visual Basic 6.0中，一方面繼承了先輩Ba

38、sic所具有的程序語(yǔ)言簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，另一方面在其編程系統(tǒng)中采用了面向?qū)ο?、事件?qū)動(dòng)的編程機(jī)制，提供了一種所見(jiàn)即所得的可視化程序設(shè)計(jì)方法。通過(guò)Visual Basic提供的MSComm串行通信對(duì)象，可以很容易的編寫(xiě)相關(guān)的串行通信程序如下：Private Sub Com_open_Click()On Error GoTo err1If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False End If If Not MSComm1.PortOpen Then MSComm1.CommPort = Com_port.Text '通信口 MSComm1.Settings = "9600,E,8,1" '串口參數(shù)設(shè)置 MSComm1.Handshaking = 0 '握手信號(hào) MSComm1.PortOpen = True Com_fig.FillColor = QBColor(9) End IfExit Suberr1: MsgBox Err.Descr