基于ColdFire MCF52223和AD5420的闸门开度仪设计

近年来，由于洪涝灾害频发，全国各地的水利设施都在加紧做排险、加固工作。其中一项重要内容就是加快改造各水库、河道调节闸门的控制系统，增强水利基础设施抵御洪涝灾害的能力。早期的闸门调节控制，一般仅在启闭机上安装了一个机械式的主令控制器，控制精度比较低，而且由于没有安装荷重传感器，当闸门两侧受力不平衡时（闸门槽两侧摩擦力不均、闸门形变或两侧启闭机步调不一致），容易拉断钢丝绳，存在安全隐患。随着国家强制要求水利设施闸门控制系统加装监控设备后，闸门开度仪成为了水利工程中必不可少的安全保护和监控设备，其主要作用是精确监控闸门的起升高度、闸门两侧钢丝绳的受力情况、记录闸门的运行记录等。

本文针对"某水库除险加固工程溢洪道加固闸门启闭机自动化控制项目实施方案"的要求，设计了一种基于ColdFire MCF52223微控制器和AD5420的闸门开度仪。目前，该系统已在施工现场完成了安装和调试，并取得了较好的使用效果。具体技术指标如下：开度量程0～40 m,分辨率1 cm，预设上限、下限两个继电器动作点；荷重量程0～60 T，分辨率0.1 T，预设90%、100%、110%三个继电器动作点；安装尺寸：77 mm×152 mm×160 mm（标准铝型材外壳）。仪表各项技术指标均满足国家相关标准[1]，面板功能示意图如图1所示。


1 系统组成

本次设计的闸门开度仪系统结构如图2所示，主要包括信号调理模块、A/D转换模块、主控模块、4～20 mA电流输出模块、RS485通信模块、显示模块、USB通信模块和电源模块等部分。其中信号调理模块负责处理荷重传感器（轴承座式荷重传感器）输入的毫伏级差分信号；A/D转换模块采用MCF52223内部的8通道12位A/D转换器将模拟信号转换为数字信号供MCU处理；主控模块负责处理开度传感器（16位绝对多圈编码器）输入的16位数字编码信号，并对各种数据信息进行综合分析及处理；显示模块采用3片TM1620驱动12只8段高亮数码管，分别显示开度值和双路荷重值；USB模块采用MCF52223内部的USB OTG模块，用于在现场与便携式PC机做近距离通信；RS485通信模块负责数据远传，实现上位机对各闸门的集中控制,通信协议采用RTU模式的MODBUS通信协议；4～20 mA输出模块采用3片16位转换精度的AD5420，将开度值和两路荷重值转化为4～20 mA电流输出；电源模块为传感器和各功能模块提供电源。


2 功能模块设计

2.1 主控模块和A/D转换模块

主控模块的核心采用一片基于Freescale公司32位ColdFire V2内核的MCF52223微处理器,最高主频80 MHz。当主频为80 MHz时可提供高达76个Dhrystone 2.1 MIPS，并且内部带有硬件除法器和增强型累积乘法控制器的EMAC，具有强大的数据运算处理能力，非常适合用于本系统中多路传感器信号的分析和综合处理[2]。MCF52223内部还提供了USB2.0全速主机/器件/OTG控制器和三个通用同步/异步收发器（UART），在工业现场可以很方便地和带有USB接口的测量仪表或PC机近距离通信，或通过RS485总线实现与上位机之间的远程数据传输。另外，MCF52223还具备256 KB Flash和64 KB SRAM、FlexCAN控制器、I2C模块和队列串行外围接口(QSPI)，能够为简单编码和实时数据存储处理提供足够的嵌入式内存，并方便与各种外围器件接口[3]。基于上述特性，以MCF52223为核心的主控模块能够较好地满足系统对高速信息处理、远程数据传送和多外围器件接口的要求。

A/D转换模块采用主控芯片MCF52223内部的8通道12位逐次逼近式A/D转换器。与外置的12位A/D转换器相比，内置A/D转换器模块具有明显的价格优势，降低了系统成本；并且由于减少了很多主控电路与A/D模块间的引线连接，增强了系统的抗干扰性能，运行也更加稳定[4]。

2.2 4～20 mA电流输出模块

在工业现场，如果信号经调理后是电压信号并且进行长线传输，会产生以下问题：由于传输的信号是电压信号，传输线容易受到噪声的干扰，传输线的分布电阻还会产生电压降。为了解决上述问题并减小相关噪声的影响，工业现场大量采用4～20 mA电流来传输信号。采用电流信号的原因是不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响传输精度，使得信号可以传输更远的距离。

根据具体设计要求,闸门开度仪需要有三路4～20 mA电流信号输出（一路开度信号和两路荷重信号）。综合考虑输出精度、可靠性和生产成本，本设计没有采用分立器件搭建4～20 mA电流输出电路，而是采用ADI公司的AD5420作为电流输出模块的核心器件。AD5420是ADI公司新推出的一款成本低、精密度高、完全集成的16位电流转换器件，主要针对工业过程控制应用的需求。根据需要, 其输出电流范围有4~20 mA、0~20 mA和0~24 mA三种。并且输出具有开路保护功能，可以驱动1 H的电感负载。宽电压供电10.8~40 V，(本设计中采用直流24 V)；配有灵活的SPI和MICROWIRE兼容接口，可在三线制模式下工作。这款器件还包含确保器件在已知状态上电复位的功能，以及将输出设定为所选电流范围低端的异步清零（CLEAR）引脚，总输出误差典型值为±0.01%FSR。

为了防止极端情况下传输线上可能窜入的干扰对系统内部造成不良影响，本次设计中对每条AD5420与MCF52223相连的控制IO口都采用高速光耦（6N135）隔离,具体电路如图3所示。图中显示的仅为一路4～20 mA电流输出电路，其他两路接法类似。


2.3 电源模块

由于闸门开度仪电路中同时存在模拟器件、数字器件和大电流器件，为了保证各功能器件得到足够的功率同时避免相互之间产生干扰,电源模块的设计也很重要。由于定做符合要求的AC/DC模块电源价格较高，本设计采用自行设计的3路隔离开关电源。 具体电路如图4所示，变压器T1是定制的专用于开关电源的高频变压器，TOP243用于脉宽调制，TL431作为参考电压基准。图中第一路24 V输出作为继电器电源，分别给继电器和AD5420供电；第二路3.3 V输出作为系统电源，通过把输出的6 V电压经LM1117降压到3.3 V后，分别给MCF52223、编码器和SP3485供电；第三路12 V输出作为模拟电源，通过把输出的15 V电压经7812稳压后，给两个轴承座式荷重传感器供电。


2.4 通信模块

根据设计要求，机房中的中心控制机（上位机）需要具备对多孔闸门群进行集中控制的能力，因此闸门开度仪与上位机或其他控制设备间需要远程通信。本设计采用RS485总线，环形拓扑结构，为了方便与其他生产厂商的控制设备接口，通信协议采用MODBUS协议，RTU模式。由于水库现场情况复杂，通信距离也较长，在实地调试过程中仪表与上位机通信曾出现一些不稳定的情况，比如传输误码、某些节点数据上行正常但下行错误等问题，调试花费了较长的时间。通过仔细分析和反复试验，采取了总线末端加终端电阻、通信电缆套镀锌管并埋地屏蔽、输出端加放电管和瞬态抑制二极管两级保护等措施，最终较好地解决了这些问题。

通信模块的电路如图5所示，电平转换芯片采用3.3 V供电的SP3485；R3是终端电阻，只需要在总线末端的一个节点上焊接；R2和R4是上下拉电阻，必须要接，否则通信距离长时极易出现误码现象；输出端的空气放电管、自恢复保险丝和瞬态抑制二极管构成两级防雷电和浪涌保护；施工过程中通信电缆采用专用的屏蔽双绞线，外面套镀锌管屏蔽并单独埋地铺设，避免了架空或是和动力电缆混扎排线。