基于ARM的远程自动控制计量闸门控制系统

张从鹏，岳向泉，罗学科，毛　潭

(北方工业大学机电工程学院，北京　100144)

0　引言

远程自动控制闸门是实现灌区信息化的关键设备[1]。由于我国灌区水利工程的信息化起步较晚，对于有计量功能的远程自动闸门的研究尚在起步阶段，分水控制与测流计量基本上依靠配水员的手动操作和经验估算，信息管理水平低、效率低，与灌区信息化建设要求具有很大差距。国外进口产品价格昂贵、操作复杂、水情适应性差，无法全面推广使用。研究远程自动计量闸门的控制系统设计方案，并开发满足我国灌区使用的远程自动计量分水闸门系统，对于实现灌区精确化配水、科学调度和信息化管理具有重要作用。

1　系统总体方案设计

远程自动计量分水闸门的控制系统硬件组成如图1所示，包括主控模块、传感器数据采集接口、电源模块、无线通信模块和LCD模块、图像采集接口、电机驱动接口、限位开关接口等。

图1　控制系统硬件组成

1．1主控及存储模块

控制系统选用的主控芯片为32位ARM Cortex-M4处理器STM32F407IGT[2]，工作频率为168 MHz．数据存储空间方面，除了STM32F407IGT自带的1 MB的片上Flash，控制系统外扩了128 MB NAND Flash接口、最大4 GB的TF存储卡接口。NAND Flash原理图如图2所示。

图2　NAND Flash电路图

1．2传感器数据采集接口

根据明渠测流理论，矩形薄壁闸门测量计算需要测量闸前水头、闸门开启高度、闸后稳定水位。采用水压传感器测量闸前、闸后水位，采用绝对型旋转编码器间接测量闸门的开启高度[3]。传感器输出均为4～20 mA电流信号。采用RCV420芯片电流信号转化成0～5 V电压信号，滤波后进入控制器的ADC通道。

1．3电源模块

由于灌区闸门的安装点多数无法采用市电，设计了光伏供电系统，采用24 V蓄电池作为控制系统的总电源，太阳能充电系统对蓄电池进行充电及电能管理，电源转换单元换转出控制系统电路所需各种电压。电压分配框图如图3所示。

图3　电源模块电压分配框图

LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，具有3 A的负载驱动能力。MC34063可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心。电路原理图如图4所示。

图4　电源电路原理图

1．4无线通信模块

根据安装距离和数据传输要求，选用GPRS远程通信协议，可实现大范围内设备状态的监测，比自建无线收发站的成本低[4]。GPRS模块采用SIM900A为控制芯片。

1．5LCD模块

闸门终端控制器的显示屏采用带触摸功能的7英寸液晶屏AT070TN92，采用RA8875作为控制和驱动芯片，电路如图5所示。

图5　LCD显示屏电路

1．6图像采集接口

为了增加可靠性，需向用户发送现场图像来确定闸门开启情况。摄像头模块采用OV2640芯片。原理图如图6所示。

图6　OV2640接口原理图

1．7电机驱动接口电路

闸门启闭的驱动电机选用两相步进电机，ARM控制器和电机驱动器之间的接口电路如图7所示。

1．8限位开关接口电路

限位开关输出的电平转换采用芯片为74LVC245A。电路图如图8所示。

2　软件系统设计

控制系统软件包括信息管理中心的PC应用软件和闸门终端的嵌入式应用软件。信息中心应用软件主要包括信息管理、远程监控、水情分析等功能。闸门终端应用软件包括闸门自动控制、分水计量、远程通信、数据存储、人机交互等功能。

信息管理中心的PC应用软件和闸门终端的嵌入式应用软件的开发环境分别为Visual Studio 2010和KeiluVision4．5，闸门终端软件运行截图如图9所示。

图8　限位开关电路

图9　闸门终端软件运行截图

3　应用试验

开发的闸门控制系统先后在引黄工程回龙灌区和汾河灌区进行了推广应用。根据现场使用情况，控制系统运行稳定、测量精确,操作简单,远程信息通信顺畅，水位测量系统不仅能够适应清水测量环境，而且对于泥沙含量较大的黄河水测量也具有良好的适应性。

4　结论

基于ARM开发了远程自动控制与测流计量的一体化闸门控制系统，具有运行稳定,测流精度高,操作简单,对水情的适应性强,成本低等优点，不仅可以实现灌区精确配水、科学调度和信息化管理，而且能够减轻配水员的工作强度、减少配水纠纷，对信息化灌区建设具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]施一潭，古钟璧．西门子S7-200在远程闸门控制系统中的应用．吉林水利，2007(2)：8-9．

[2]马忠梅．嵌入式处理器与嵌入式系统．电子世界，2003(3)：41-42．

[3]张震，汪斌强，朱珂．流量测量的关键技术分析与研究．计算机应用研究，2009(9)：3442-3447．

[4]孙德辉，卫革，杨扬．基于ARM的GPRS远程数据传输系统的设计．自动化技术与应用，2010(29)：26-29．