基于CC2530的无线阀位变送器的设计.pdf

第 1期 总第 1 8 8期 2 0 1 5年 O 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No． 1 Feb ． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 01 5 01 0 1 7 3 0 3 基 于 C C 2 5 3 o的无线 阀位 变送器 的设 计 李金喜 ，陈继永 江苏工程职业技术 学院，江苏 南通2 2 1 0 0 6 摘要 以用于船舶压载水 管系的液动蝶 阀阀门位 置检 测装置为研 究对象，提 出 了一种基 于 C C 2 5 3 0射 频芯片 的无线阀位变送器 的设计 方案。设 计 了无线 阀位 变送 器 的硬 件 电路，并在 Z i g B e e协议 栈 的基础上 完成 了软 件的设计。最后通过 实验 ，验 证 了该变送器在 阀 门开度检测和数据传输 等方面的性能达到 了设计 要求。 关键 词 C C 2 5 3 0 ；无线通信 ；阀位 ；变送器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 随着 船舶 大 型化 及 自动化 技 术 的不 断 发 展 ， 根 据 国际规范的要求主要用于监控船舶压载水系统 、 舱底 水系 统 以及货 油 装卸 系 统等 管路 上 的遥控 阀门状 态 的 船舶阀门遥控 系统 ， 已经在各类新造船舶 中得到 了广 泛的应用[ 1 ] 。其中， 船舶压载水系统在进行压载水排 放 过 程 中 ， 需 时 常调节 压 载水 阀 门开度 的大小 ， 为 了有 效操作 ， 工作人员需知道 阀门的开度状态 。当前采用 的 阀门开 度 检 测 方 式 主 要 是 通 过 电 位 器 检 测 阀 门转 角， 然后将 电位器信号转换成 4 mA～2 0 mA 的标准 电流信号 ， 通过多芯船用屏蔽 电缆送至控制台， 最后经 AD转换送至计算机系统 。由于压载水管系阀门多安 装在船舶底层空间较小 的管道舱 内， 现 场布线条件艰 苦 ， 施工量较大 ， 且维护及系统升级较不便 。如采用无 线方式实现阀门开度 的信号传输 ， 可节 约大量 电缆及 安 装维 护 成本 ， 经 济性 较好 。因此 ， 本 文提 出 了一种 基 于 C C 2 5 3 0射频芯 片设计 的 ， 利用角度传感 器实现压 载水管系液动蝶阀阀位检测 ， 并可进行无线通信 的无 线液动蝶阀阀位变送器设计方案。该变送器实现了对 液动蝶 阀阀门位置采集的无线化 ， 节省 了系统配置成 本及安装复杂度 ， 具有经济型及可维护性较高等特点。 1 阀位变 送 器 总体 设 计 方案 1 ． 1 阀 门遥控 系统 阀门遥控系统可根据操作人员的要求 ， 对管道 阀 门进 行 远距 离操 纵 和 控 制 ， 同时 能 够 实 时 监 测 显 示 遥 控阀门的开关状态 ， 对有开度控制要求 的阀门实现阀 门开度显示 。目前新造船舶 中阀门驱动装置的动力源 多为液动装置 ， 完整的阀门遥控系统包括集控台、 液压 动力泵站、 电磁阀箱及液动阀门。 阀门遥控系统工作原理如下 液压泵站提供阀门 开 、 关动作动力源， 电磁阀箱中的换向阀通过转换工作 油路控制驱动头的往复运 动来控制 阀门的开关动作 ； 阀门位 置信 号取 自阀 门驱 动 头 内 的检 测 装 置 ， 通 过 船 用电缆将 阀门位置信息送至控制台 箱 ， 信号经处理 后送监控计算机系统 ； 压 载水管 系中使用 的多属于旋 转式 阀门的液动蝶阀， 可进行 9 0 。 旋转操作 ， 实现管道 的开 、 闭功 能 j 。 1 ． 2 阀位 无线 传输 总体 方案 针对 当前 阀门遥控系统 中阀位检测系统的弊端 ， 以有开度控制要求的液动蝶 阀为研究对象 ， 设计 了一 种基于无线传感 网络技术 的无线 阀位变送器 ， 实现 了 对液动蝶 阀阀门位置 的检测及检测信号的无线传输 。 在 阀 门遥 控 系统 中 ， 阀位 变送 器 将 采 集 到 的 阀 门位 置 信息通过无线 的方式传输至安装在管道舱内部的协调 器 ， 协调器通过串行通信 的方式将 阀门位置信息传送 至监控计算机 。采用无线阀位变送器的新型阀门遥控 系统配置 图如 图 1所示 。 考虑 到 阀位 变送 器 的 升 级 及 后 续 在 电动 、 电液 及 其他类型阀门上的应用 ， 采用模块化设计思路对变送 器硬件进行设计 。该变送器硬件结构主要包括 电源模 块 、 传感器模块、 处理器模块和无线收发模块 ， 其结构 框图如图 2 所示 。电源模块负责为节点供电， 提供各 部 分 运行 所需 的电量 ； 传 感 器 模 块 负 责 采 集 阀 门位 置 信息并做一定 的数据转换 ； 处理器模块负责对整个变 送器节点进行控制和管理 ； 无线收发模块负责节点之 间按一定的通信协议相互通信 。 收稿 日期 2 0 1 4 一 o 4 1 5 ；修订 日期 2 0 1 4 1 0 1 5 作 者简介 李金喜 1 9 8 1 一 ，男 ，江苏铜山人 ，讲师 ，硕 士， 究方 向 测控技 术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 4 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 5年 第 1期 2系统硬 件设 计 2 ． 1 阀位 检 测 系 统 由于压载水管系所用 阀门对控制精度要求不高， 在实际使用中， 大多通过在阀门驱动头 中安装 的角位 置传感器来获得 阀门阀杆 的转动角位移 ， 从而得出阀 门的开度 ， 达到阀位检测的 目的_ 3 ] 。其中， 角度传感器 多为旋转式电位器 。为了获得较好 的线性关 系 ， 选取 电位器 中间段变化 ， 两端对应 阀门的全开全关 ， 这样就 使得机械信号变成 了电阻信号。通过分压电路 ， 使之 转变成电压变化。其工作 原理是 由阀门控制装置带 动 阀门旋 转 的同 时带动 电位 器旋 转 ， 阀 门开度不 同 ， 则 电位 器 的分压 不 同 。 图 1 无线阀门遥控系统配置图 图 2变 送 器 结构 框 图 电位器通过分压将阀门的开度转换成 电压信号传 给电压跟随器 ， 由电压跟 随器将该电压信号传给单片 机内部 自带的 AD转换器 ， A D转换 器将 电压信号转 换成数字信号， 由单 片机进行数据处理并转换成 阀门 开度信号 ， 通过无线通讯 的方式借助协调器传给集控 台计算机 。阀位检测电路如图 3所示。 _ 图 3阀位 检 测 电 路 2 ． 2 主控 芯 片 主控 芯 片 C C2 5 3 O单 片 机 是 一 款 完 全 兼 容 8 0 5 1 内核 ， 同时支持 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4协议的 2 ． 4 GHz 无线 射频 单 片 机。同 时 ， C C 2 5 3 o可 以 配 备 TI公 司 的 Re mo T I ， Z S t a c k或 S i mp l i c i TI 等专有或标准兼 容的 网络协议栈来简化开发 ] 。该芯片硬件方 面， 内部 自 带 A DC， 集成 高 性 能 的 R F 收发 器 ， 具 有 出色 的低 功 耗功能 ； 软件方面， 提供开发便捷的协议栈 ， 为变送器 的开发提供 了很大的便利 。 2 ． 3无 线收发模 块 无线收发模块的性能对该变送器的使用性能产生 了较大的影响。其中， 天线及 巴伦匹配电路的设计对 射频通路指标及通信距离 、 系统功耗有较大的影响， 决 定 了无 线 收发模 块 功 能 的好 坏 。C C 2 5 3 0内 部集 成 的 高性能 RF收发器采用差分的方式完成对射频信号的 传送 ， 而天线为单端 口， 故在设计中， 选用巴伦 匹配 电 路来实现差分到单端 口的转换 。图 4中 c Ll ， C 。 和 L 构成巴伦 电路。 图 4巴 伦 匹 配 电 路 3系统 软件 设计 3 ． 1 Z i g Be e协议 栈 采用 Z i g B e e无 线通信技 术进行 无线数 据传输 。 软件设计过程 中， 为了简化设计的复杂程度， 增强软件 开发的灵活性及后续功能扩展 的便利 性， 采用 TI 公 司提 供 的 基 于 Z i g B e e 标 准 的 Z S t a c k协 议 栈 。该 协 议栈包含了 Z i g B e e 标 准描述 的各层次 的功能组件模 块 ， 向开发 人员 提 供 了一 系列 的 AP I 接 口， 通 过 调 用 这 些 AP I 接 口可 实现 Z i g B e e 标 准 中各 层 次 的相 应 功 能 ] 。各功能组件模块 的任务调度方式是 为需要实 现的功能建立任务 ， 且每一个任务有不同的事件 ； 若某 个任务有事件发生 ， 则调用任务事件处理函数 ， 并判断 是什么事件发生， 然后系统进行对应的操作 ； 当没有任 务事件发生时 ， 系统进入 低功耗模式 ， 在低功耗模式 下 ， 若 有事 件 发生 ， 则 唤 醒 系统 进 入 中断 处理 事 件 ， 事 件处理结束后继续进入低功耗模式 ] 。 3 ． 2变送 器节 点程序 设计 图 5为 变送器 节 点 的软件 流程 图 。 变送器终端节点负责采集阀门阀位信息 ， 并将数 据传送给协调器 ， 最终上传给上位 机处理 。处理过程 中， 阀位变送器终端节点定时检测阀位信息 ， 并发送本 节点的阀位数据 。变送器终端节点大部分时间处于低 功耗模式 ， 此时变送器节点关闭传感器模块和无线通 信模块 ， 停止采集 阀位信 息和发送数据 ， 只保 留 C P U 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 O 1 5年 第 1 期 机 械 工 程 与 自 动 化 内部定时器和中断。 图 5 变送 器节点流程图 4结束 语 本文通过对 阀门遥控 系统 及 Z i g B e e无线传感器 网络技术的研究 ， 设计 了基于射频芯 片 C C 2 5 3 0的无 线阀位变送器 ， 该变送器可应用于压载 管系阀门遥控 系统 ， 实 现对 液 动蝶 阀阀 门 开 关 状态 及 开 度 的检 测 及 无线传输。对 阀位信号采用无线传送也是本设计的创 新之处 ， 采用无线传输给阀位检测带来方便并在成本、 空 间 、 功耗 、 灵活 性 等方 面具 有 明显 的优 势 。 参考 文献 [ 1 ] 林锐， 刘辉， 张轩． 船舶阀门遥控系统的研究与分析[ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 7 1 1 1 5 1 6 ． [ 2 ] 甘辉兵 ， 张建 ， 张 均东 ， 等 ． 基 于 P L C的船 舶 阀 门遥 控 及 液位遥测 系统 的设 计 与 实 现 [ J ] ． 大 连海 事 大 学 学 报 ， 2 0 0 7 1 2 1 4 9 1 5 1 ． [ 3 ] 李文江 ， 杨清翔． 基 于单片机 的阀 门开度 智能检 测表[ J ] ． 仪器仪表用户 ， 2 0 0 5 6 4 9 5 0 ． [ 4 ] 龚文超 ， 吴猛猛 ， 刘 双双． 基于 C C 2 5 3 o的无线监 控系统设 计与实现[ J ] ． 电子测 量技 术 ， 2 0 1 2 6 3 3 3 6 ． E 5 ] 孙兵． 太 阳能风 能 电站远 程监 控技术 [ M] ． 北 京 中 国铁 道 出版社 ， 2 0 1 3 ． [ 6 ] 董建怀． 基于 C C 2 5 3 0的电流及温度监测系统 的设计 与实 现F J ] ． 厦门理工学 院学报 ， 2 0 1 1 9 5 9 6 3 ． De s i g n o f RF Ch i p CC2 5 3 0 -- b a s e d W i r e l e s s Va l v e Po s i t i o n Tr a n s mi t t e r LI J i n - x i ，C HEN J i - y o n g J i a n g s u Co l l e ge o f En g i ne e r i n g Te c hn o l o g y，Na n t o n g 2 2 1 0 0 6。Ch i n a Ab s t r a c t A s h i p u s e d h y d r a u l i c b u t t e r f l y v a l v e p o s i t i o n d e t e c t i o n d e v i c e wa s t a k e n a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ，a k i n d o f d e s i g n s c h e me o f wi r e l e s s v a l v e p os i t i on t r a n s mi t t e r b a s e d o n RF c hi p CC25 30 wa s put f or war d． The ha r dwa r e c i r c u i t of wi r e l e s s v a l v e p o s i t i o n t r a n s mi t t e r wa s d e s i g n e d，a n d t h e d e s i g n o f s o f t wa r e b a s e d o n Z i g B e e p r o t o c o l s t a c k wa s c o mp l e t e d ．The e xp e r i me nt s h ows t he t r a ns mi t t e r c a n me e t t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s j n t h e v a l v e o p e n i n g d e t e c t i o n a n d d a t a t r a n s mi s s i o n ． Ke y wo r d sCC2 53 0；wi r e l e s s c o mm u ni c a t i on；v al v e p os i t i on；t r a n s mi t t e r ’ L 当 a 时 bV 阁 I EW ． ， 的开 [ 4 ] 殷Z 0 0 洪义． 5． 可 编 程 序 控 制 器 选 择 、设 计 与 维 护 rL ⋯v lj ． 北 京 机 璺 为 工 程 人 员 提 供 了 一 个 更 好 的 开 发 思 路 。 。 盖 、 ’ 毫 。 ． 一 ． 。 ⋯ ⋯ [ 5 ] 达 股 份 有 限 公 司 ． 台 达 D V P -P L c 编 程 技 巧 [ ] 龙 华 伟 ，顾 永 刚 L a b V I E W 8 2 1 与 D A Q 数 据 采 集 [ M ] ． 石 ． u 匕 j o “ S c h o o l o f M e c h a t r o n i c En gi n e e r i n g，No r t h Unive r s i t y o f Chi n a ，Ta i yu a n 0 3 0 0 5 1 ，Ch i na Ab s t r a c t A b a s i c s e r v o mo t o r c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n La b VI EW a n d d o me s t i c a l l y p r o d u c e d P LC wa s c o n s t r u c t e d，a n d t h e c ommun i c at i o n be t we e n PLC a nd hos t c omput e r wa s s e t up． Th e p r a c t i c e i n d i c a t e s t h i s t e s t s y s t e m c a n n O t o n l y c u t d o wn t h e d e v e l o p me n t c y c l e ，b u t a l s o s a v e t h e e x p e n s e ，h a s p r o v i d e d a v e r y g o o d me n t a l i t y f o r t h e p r o j e c t p e r s o n n e 1 ． Ke y wo r dsLa b Vl EW ；PLC；s e r v o s ys t e m ；s e r vo mot o r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m