基于CC2530的無線閥位變送器的設(shè)計(jì)

李金喜，陳繼永

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 221006）

0 引言

隨著船舶大型化及自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)國際規(guī)范的要求主要用于監(jiān)控船舶壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)以及貨油裝卸系統(tǒng)等管路上的遙控閥門狀態(tài)的船舶閥門遙控系統(tǒng)，已經(jīng)在各類新造船舶中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。其中，船舶壓載水系統(tǒng)在進(jìn)行壓載水排放過程中，需時(shí)常調(diào)節(jié)壓載水閥門開度的大小，為了有效操作，工作人員需知道閥門的開度狀態(tài)。當(dāng)前采用的閥門開度檢測方式主要是通過電位器檢測閥門轉(zhuǎn)角，然后將電位器信號(hào)轉(zhuǎn)換成4mA～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，通過多芯船用屏蔽電纜送至控制臺(tái)，最后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于壓載水管系閥門多安裝在船舶底層空間較小的管道艙內(nèi)，現(xiàn)場布線條件艱苦，施工量較大，且維護(hù)及系統(tǒng)升級(jí)較不便。如采用無線方式實(shí)現(xiàn)閥門開度的信號(hào)傳輸，可節(jié)約大量電纜及安裝維護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)性較好。因此，本文提出了一種基于CC2530射頻芯片設(shè)計(jì)的，利用角度傳感器實(shí)現(xiàn)壓載水管系液動(dòng)蝶閥閥位檢測，并可進(jìn)行無線通信的無線液動(dòng)蝶閥閥位變送器設(shè)計(jì)方案。該變送器實(shí)現(xiàn)了對液動(dòng)蝶閥閥門位置采集的無線化，節(jié)省了系統(tǒng)配置成本及安裝復(fù)雜度，具有經(jīng)濟(jì)型及可維護(hù)性較高等特點(diǎn)。

1 閥位變送器總體設(shè)計(jì)方案

1.1 閥門遙控系統(tǒng)

閥門遙控系統(tǒng)可根據(jù)操作人員的要求，對管道閥門進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱和控制，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測顯示遙控閥門的開關(guān)狀態(tài)，對有開度控制要求的閥門實(shí)現(xiàn)閥門開度顯示。目前新造船舶中閥門驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力源多為液動(dòng)裝置，完整的閥門遙控系統(tǒng)包括集控臺(tái)、液壓動(dòng)力泵站、電磁閥箱及液動(dòng)閥門。

閥門遙控系統(tǒng)工作原理如下：液壓泵站提供閥門開、關(guān)動(dòng)作動(dòng)力源，電磁閥箱中的換向閥通過轉(zhuǎn)換工作油路控制驅(qū)動(dòng)頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來控制閥門的開關(guān)動(dòng)作；閥門位置信號(hào)取自閥門驅(qū)動(dòng)頭內(nèi)的檢測裝置，通過船用電纜將閥門位置信息送至控制臺(tái)（箱），信號(hào)經(jīng)處理后送監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；壓載水管系中使用的多屬于旋轉(zhuǎn)式閥門的液動(dòng)蝶閥，可進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)操作，實(shí)現(xiàn)管道的開、閉功能［2］。

1.2 閥位無線傳輸總體方案

針對當(dāng)前閥門遙控系統(tǒng)中閥位檢測系統(tǒng)的弊端，以有開度控制要求的液動(dòng)蝶閥為研究對象，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線閥位變送器，實(shí)現(xiàn)了對液動(dòng)蝶閥閥門位置的檢測及檢測信號(hào)的無線傳輸。在閥門遙控系統(tǒng)中，閥位變送器將采集到的閥門位置信息通過無線的方式傳輸至安裝在管道艙內(nèi)部的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串行通信的方式將閥門位置信息傳送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。采用無線閥位變送器的新型閥門遙控系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

考慮到閥位變送器的升級(jí)及后續(xù)在電動(dòng)、電液及其他類型閥門上的應(yīng)用，采用模塊化設(shè)計(jì)思路對變送器硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。該變送器硬件結(jié)構(gòu)主要包括電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線收發(fā)模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電源模塊負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)供電，提供各部分運(yùn)行所需的電量；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集閥門位置信息并做一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)對整個(gè)變送器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和管理；無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間按一定的通信協(xié)議相互通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 閥位檢測系統(tǒng)

由于壓載水管系所用閥門對控制精度要求不高，在實(shí)際使用中，大多通過在閥門驅(qū)動(dòng)頭中安裝的角位置傳感器來獲得閥門閥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，從而得出閥門的開度，達(dá)到閥位檢測的目的［3］。其中，角度傳感器多為旋轉(zhuǎn)式電位器。為了獲得較好的線性關(guān)系，選取電位器中間段變化，兩端對應(yīng)閥門的全開全關(guān)，這樣就使得機(jī)械信號(hào)變成了電阻信號(hào)。通過分壓電路，使之轉(zhuǎn)變成電壓變化。其工作原理是：由閥門控制裝置帶動(dòng)閥門旋轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，閥門開度不同，則電位器的分壓不同。

圖1 無線閥門遙控系統(tǒng)配置圖

圖2 變送器結(jié)構(gòu)框圖

電位器通過分壓將閥門的開度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳給電壓跟隨器，由電壓跟隨器將該電壓信號(hào)傳給單片機(jī)內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換成閥門開度信號(hào)，通過無線通訊的方式借助協(xié)調(diào)器傳給集控臺(tái)計(jì)算機(jī)。閥位檢測電路如圖3所示。

圖3 閥位檢測電路

2.2 主控芯片

主控芯片CC2530單片機(jī)是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的2.4GHz無線射頻單片機(jī)。同時(shí)，CC2530可以配備TI公司的RemoTI，Z－Stack或SimpliciTI等專有或標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來簡化開發(fā)［4］。該芯片硬件方面，內(nèi)部自帶ADC，集成高性能的RF收發(fā)器，具有出色的低功耗功能；軟件方面，提供開發(fā)便捷的協(xié)議棧，為變送器的開發(fā)提供了很大的便利。

2.3 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊的性能對該變送器的使用性能產(chǎn)生了較大的影響。其中，天線及巴倫匹配電路的設(shè)計(jì)對射頻通路指標(biāo)及通信距離、系統(tǒng)功耗有較大的影響，決定了無線收發(fā)模塊功能的好壞。CC2530內(nèi)部集成的高性能RF收發(fā)器采用差分的方式完成對射頻信號(hào)的傳送，而天線為單端口，故在設(shè)計(jì)中，選用巴倫匹配電路來實(shí)現(xiàn)差分到單端口的轉(zhuǎn)換。圖4中C11，L1，C10和L2構(gòu)成巴倫電路。

圖4 巴倫匹配電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee協(xié)議棧

采用ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。軟件設(shè)計(jì)過程中，為了簡化設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，增強(qiáng)軟件開發(fā)的靈活性及后續(xù)功能擴(kuò)展的便利性，采用TI公司提供的基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的Z－Stack協(xié)議棧。該協(xié)議棧包含了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)描述的各層次的功能組件模塊，向開發(fā)人員提供了一系列的API接口，通過調(diào)用這些API接口可實(shí)現(xiàn)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中各層次的相應(yīng)功能［5］。各功能組件模塊的任務(wù)調(diào)度方式是：為需要實(shí)現(xiàn)的功能建立任務(wù)，且每一個(gè)任務(wù)有不同的事件；若某個(gè)任務(wù)有事件發(fā)生，則調(diào)用任務(wù)事件處理函數(shù)，并判斷是什么事件發(fā)生，然后系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)的操作；當(dāng)沒有任務(wù)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，在低功耗模式下，若有事件發(fā)生，則喚醒系統(tǒng)進(jìn)入中斷處理事件，事件處理結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式［6］。

3.2 變送器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

圖5為變送器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖。

變送器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集閥門閥位信息，并將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，最終上傳給上位機(jī)處理。處理過程中，閥位變送器終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)檢測閥位信息，并發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的閥位數(shù)據(jù)。變送器終端節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于低功耗模式，此時(shí)變送器節(jié)點(diǎn)關(guān)閉傳感器模塊和無線通信模塊，停止采集閥位信息和發(fā)送數(shù)據(jù)，只保留CPU內(nèi)部定時(shí)器和中斷。

圖5 變送器節(jié)點(diǎn)流程圖

4 結(jié)束語

本文通過對閥門遙控系統(tǒng)及ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了基于射頻芯片CC2530的無線閥位變送器，該變送器可應(yīng)用于壓載管系閥門遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對液動(dòng)蝶閥閥門開關(guān)狀態(tài)及開度的檢測及無線傳輸。對閥位信號(hào)采用無線傳送也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處，采用無線傳輸給閥位檢測帶來方便并在成本、空間、功耗、靈活性等方面具有明顯的優(yōu)勢。

［1］林銳，劉輝，張軒.船舶閥門遙控系統(tǒng)的研究與分析［J］.流體傳動(dòng)與控制，2007（11）：15－16.

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［3］李文江，楊清翔.基于單片機(jī)的閥門開度智能檢測表［J］.儀器儀表用戶，2005（6）：49－50.

［4］龔文超，吳猛猛，劉雙雙.基于CC2530的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測量技術(shù)，2012（6）：33－36.

［5］孫兵.太陽能風(fēng)能電站遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2013.

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