近年来，因为洪涝灾害频发，全国各地的水利设备都在赶紧做排险、加固作业。其间一项重要内容便是加速改造各水库、河道调度闸口的操控体系，增强水利基础设备抵挡洪涝灾害的才能。前期的闸口调度操控，一般仅在启闭机上装置了一个机械式的主令操控器，操控精度比较低，并且因为没有装置荷重传感器，当闸口两边受力不平衡时（闸口槽两边摩擦力不均、闸口形变或两边启闭机步骤不一致），简略拉断钢丝绳，存在安全隐患。跟着国家强制要求水利设备闸口操控体系加装监控设备后，闸口开度仪成为了水利工程中必不可少的安全维护和监控设备，其首要效果是准确监控闸口的起升高度、闸口两边钢丝绳的受力状况、记载闸口的运转记载等。
本文针对“某水库除险加固工程溢洪道加固闸口启闭机主动化操控项目实施方案”的要求，规划了一种依据ColdFire MCF52223微操控器和AD5420的闸口开度仪。现在，该体系已在施工现场完结了装置和调试，并取得了较好的运用效果。详细技术指标如下：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；装置尺度：77 mm×152 mm×160 mm（规范铝型材外壳）。外表各项技术指标均满意国家相关规范[1]，面板功用示意图如图1所示。
1 体系组成
本次规划的闸口开度仪体系结构如图2所示，首要包含信号调度模块、A/D转化模块、主控模块、4～20 mA电流输出模块、RS485通讯模块、显现模块、USB通讯模块和电源模块等部分。其间信号调度模块担任处理荷重传感器（轴承座式荷重传感器）输入的毫伏级差分信号；A/D转化模块选用MCF52223内部的8通道12位A/D转化器将模仿信号转化为数字信号供MCU处理；主控模块担任处理开度传感器（16位肯定多圈编码器）输入的16位数字编码信号，并对各种数据信息进行归纳剖析及处理；显现模块选用3片TM1620驱动12只8段高亮数码管，别离显现开度值和双路荷重值；USB模块选用MCF52223内部的USB OTG模块，用于在现场与便携式PC机做近间隔通讯；RS485通讯模块担任数据远传，完结上位机对各闸口的集中操控,通讯协议选用RTU形式的MODBUS通讯协议；4～20 mA输出模块选用3片16位转化精度的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用模块供给电源。
2 功用模块规划
2.1 主控模块和A/D转化模块
主控模块的中心选用一片依据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时可供给高达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操控器的EMAC，具有强壮的数据运算处理才能，十分合适用于本体系中多路传感器信号的剖析和归纳处理[2]。MCF52223内部还供给了USB2.0全速主机/器材/OTG操控器和三个通用同步/异步收发器（UART），在工业现场能够很便利地和带有USB接口的丈量外表或PC机近间隔通讯，或经过RS485总线完结与上位机之间的长途数据传输。别的，MCF52223还具有256 KB Flash和64 KB SRAM、FlexCAN操控器、I2C模块和行列串行外围接口(QSPI)，能够为简略编码和实时数据存储处理供给满意的嵌入式内存，并便利与各种外围器材接口[3]。依据上述特性，以MCF52223为中心的主控模块能够较好地满意体系对高速信息处理、长途数据传送和多外围器材接口的要求。
A/D转化模块选用主控芯片MCF52223内部的8通道12位逐次迫临式A/D转化器。与外置的12位A/D转化器比较，内置A/D转化器模块具有显着的价格优势，降低了体系本钱；并且因为减少了许多主控电路与A/D模块间的引线衔接，增强了体系的抗搅扰功用，运转也愈加安稳[4]。
2.2 4～20 mA电流输出模块
在工业现场，假如信号经调度后是电压信号并且进行长线传输，会发生以下问题：因为传输的信号是电压信号，传输线简略遭到噪声的搅扰，传输线的散布电阻还会发生电压降。为了处理上述问题并减小相关噪声的影响，工业现场许多选用4～20 mA电流来传输信号。选用电流信号的原因是不简略受搅扰，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，使得信号能够传输更远的间隔。
依据详细规划要求,闸口开度仪需求有三路4～20 mA电流信号输出（一路开度信号和两路荷重信号）。归纳考虑输出精度、可靠性和出产本钱，本规划没有选用分立器材建立4～20 mA电流输出电路，而是选用ADI公司的AD5420作为电流输出模块的中心器材。AD5420是ADI公司新推出的一款本钱低、精密度高、彻底集成的16位电流转化器材，首要针对工业进程操控使用的需求。依据需求, 其输出电流规模有4~20 mA、0~20 mA和0~24 mA三种。并且输出具有开路维护功用，能够驱动1 H的电感负载。宽电压供电10.8~40 V，(本规划中选用直流24 V)；配有灵敏的SPI和M%&&&&&%ROWIRE兼容接口，可在三线制形式下作业。这款器材还包含确保器材在已知状况上电复位的功用，以及将输出设定为所选电流规模低端的异步清零（CLEAR）引脚，总输出差错典型值为±0.01%FSR。
为了防止极点状况下传输线上或许窜入的搅扰对体系内部形成不良影响，本次规划中对每条AD5420与MCF52223相连的操控IO口都选用高速光耦（6N135）阻隔,详细电路如图3所示。图中显现的仅为一路4～20 mA电流输出电路，其他两路接法相似。
2.3 电源模块
因为闸口开度仪电路中一起存在模仿器材、数字器材和大电流器材，为了确保各功用器材得到满意的功率一起防止相互之间发生搅扰,电源模块的规划也很重要。因为定做符合要求的AC/DC模块电源价格较高，本规划选用自行规划的3路阻隔开关电源。 详细电路如图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作为参阅电压基准。图中榜首路24 V输出作为继电器电源，别离给继电器和AD5420供电；第二路3.3 V输出作为体系电源，经过把输出的6 V电压经LM1117降压到3.3 V后，别离给MCF52223、编码器和SP3485供电；第三路12 V输出作为模仿电源，经过把输出的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 通讯模块
依据规划要求，机房中的中心操控机（上位机）需求具有对多孔闸口群进行集中操控的才能，因而闸口开度仪与上位机或其他操控设备间需求长途通讯。本规划选用RS485总线，环形拓扑结构，为了便利与其他出产厂商的操控设备接口，通讯协议选用MODBUS协议，RTU形式。因为水库现场状况复杂，通讯间隔也较长，在实地调试进程中外表与上位机通讯曾呈现一些不安稳的状况，比方传输误码、某些节点数据上行正常但下行过错等问题，调试花费了较长的时刻。经过仔细剖析和重复实验，采取了总线结尾加终端电阻、通讯电缆套镀锌管并埋地屏蔽、输出端加放电管和瞬态按捺二极管两级维护等办法，终究较好地处理了这些问题。
通讯模块的电路如图5所示，电平转化芯片选用3.3 V供电的SP3485；R3是终端电阻，只需求在总线结尾的一个节点上焊接；R2和R4是上下拉电阻，必需求接，不然通讯间隔长时极易呈现误码现象；输出端的空气放电管、自恢复保险丝和瞬态按捺二极管构成两级防雷电和浪涌维护；施工进程中通讯电缆选用专用的屏蔽双绞线，外面套镀锌管屏蔽并独自埋地铺设，防止了架空或是和动力电缆混扎排线。
2.5 其他模块
模仿信号调度模块选用高功用外表放大器AD620作为中心器材，AD620是依据改进型三运放结构的单片集成仪用放大器，具有极高的输人阻抗和共模按捺比、功耗低(最大作业电流仅1.3 mA)、精度高，其最大非线性度40 ppm，最大零漂电压50 μV，最大温漂电压值0.6 ?滋V/度，十分合适用于荷重检测等精度要求较高的体系。
显现模块选用三片TM1620驱动12只共阴8段数码管和10只LED指示灯。TM1620是一款国产的数码管驱动操控专用芯片，内部集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路，性价比较高，比常用的74HC595运用便利，并且比CH451廉价许多。
3 软件规划
软件规划包含下位机软件和上位机监控软件两部分。下位机软件首要完结按键中止处理、格雷码转化、预设报警值、数码管扫描显现、操控继电器动作和守时上传闸口运转数据等功用。上位机监控软件选用LabVIEW+Access数据库编写，包含操控面板、状况显现、参数设置、单闸操控、多闸操控、暗码服务等界面，能够实时监控各孔闸口的运转状况、长途设置运转参数、守时保存各闸口的运转记载。
闸口运转状况显现界面如图6所示，经过此界面能够实时监测各孔闸口的左右钢丝绳荷重值、当时开度值、开度上下限值、运转状况和报警状况，并能够保存闸口的运转记载。按下参数设置按钮能够进入参数设置界面临各闸口的运转参数从头进行设置。
闸口参数设置界面如图7所示，经过此界面能够从头设置闸口的开度上下限值、左右荷重预警及报警值、设置手动操作功用、报警状况及显现方法等，参数设置完结后，参数值将主动保存到ACCESS数据库的对应表中，闸口将依照新的运转参数运转。别的，在此界面中还能够对单个闸口的运转状况进行监督和操控。
别的，操控面板界面担任显现一切的子界面跳转按钮及菜单，便利操作人员快速挑选需求的子界面（操作时也能够用子界面上已有的一些方便按钮在常用子界面间快速切换）；单闸操控界面和多闸操控界面担任闸口群的运动操控；暗码服务界面能够设置体系登录暗码和参数修正暗码。
依照项目实施方案的要求，规划了一种依据ColdFire MCF52223和AD5420的闸口开度仪，并开发了相应的上位机监控软件。经过在现场装置运用后标明，该外表具有较强的信息处理才能和抗搅扰才能、操控精度高、接口丰厚、通用性好，满意了规划要求。在往后的规划中，还能够考虑为该外表添加水位传感器和流速传感器接口，以取得更多的水文信息，然后愈加准确地操控闸口运转，在水利基础设备建设中发挥更大的效果。
