数字热本与变用
水利枢纽闸门监控中的多传感器数据采集系统设计
王欣
(泰州职业技术学院江苏泰州225.300)
设计开发
摘要:针对高港水利枢级基于LonWorks的全分市闸门监控网络,设计了一种新型多传感器数据案集系统,详期介绍了其硬件电路设计和软件实现关键调：多传感器数据来集LonWorks
中图分类号：TP277
文献标识码：A
文章编号：1007-9416(2014)04-0181-01
随着信息化技术的不断发展，闸门作为水利枢纽的核心组成部分，实现其数字化、智能化、自动化变得十分重要。本文介绍一种新型的多传感器数据采集系统，为水工闸门的智能监控提供了参考。
1系统总体设计
1.1关键传感元件
间门实时监控系统中，传感元件作为重要的关键元件，采集的主要内容包括闸门开度、闸前间后水位以及启闭机运行状态等。
闻位传感器的质量直接关系到闸门监控的效果，采用的是德国海德汉(HEIDEHAIN)公司的ROQ425型绝对型光电编码器，编码器安装在启闭机的卷简轴上，通过将间门的升、降位移量转换成测量轴的角位移量，使编码器输出相应的缩码量。该缩码器精度高，可使闸门开度分辨到mm级，输出码为25位格雷码，输出信号为SSI同步申行信号。
检测闻门启闭机的运行状态，可以选用美国HONEYWELL公司HEL711-T-O-12铂电阻PT100作为温度检测元件，对启闭机利车装置的障擦圈温度进行采集。该元件对温度变化感应迅速，测湿范围为0~850℃，输出为电压模拟信号/2]
水位状态的采集采用由压电式超声波换能器构成的测距传感器，在压电品片两极上施加频率为其固有频率的输人电压信号时，压电品片将会产生共振，并带动共振板振动，产生超声波；投射出的超声波到水面立刻折回，共振板接收到发射超声波，会迫使压电品片振动，从而产生电信号，通过计算前后时闻差即可得出距离。其监测结果精确，安全可靠，便于安装。
1.2总体结构
为了进一步提高监控系统测量和控制的精度，本文以 C8051F121单片机为核心设计了一个数据采集系统，把光电编码器、水位传感器和温度传感器等的模拟输出信号集中采集经信号放大、A/D转换、数据计算等处理，然后将转换后的数字信号按照 LonTalk协议并行输出到LonWorks智能节点。节点可以根据信息综合处理的结果对闸门进行智能控制，还可以通过节点的通讯模块经LON网络，将数据传送给上位监控机，通过上位机的组态软件完成各种信息处理，以各种方式(如流程图、趋势图等)表达整个闸门网络的运行状态，便于闸门的安全运行。
系统的硬件原理框图如图1所示。 2硬件设计
系统中控制器芯片采用C8051F121单片机，是完全集成的混合信号片上系统型MCU。用门开度信号采集时，CPU从AINO.1引输出时钟信号经过SN75174芯片转换为差分时钟信号送到光电编
光电端码器
超声旅本检收
C8051
验
业有
上医程机
图1系统的硬件原理框图
码器的CLOCK+，CLOCK一作为编码器的同步时钟，光电编码器差分数据信号线的Data+、Data一通过SP485芯片，接到单片机中 AIN0.0引脚。SP485是美国知名半导体制造商Sipex公司基于差分信号传输原理的RS-485/422通信专用芯片。由于采用差分数据传输抗干扰性好，同时传输速度快、距离长。同步时钟信号发送的个数由CPU内部计数器计数，当计数器达到指定时钟个数后将数据并行输出锁存到数据输出线上
Pt100温度传感器输出的2路电压模拟信号分别接人AIN0.2. AIN0.3引脚，Pt100温度传感器直接输出的电压信号不大(200~500 mV)，当负载较重时，会使输出幅度被拉低，且易被干扰，因此有必要接人一个电压跟随电路。LM6181构成电压跟随器，连接成电压申联负反馈，其反馈系数为1。其后再接人两级同相比例放大电路，其作用是将微弱的传感器信号，进行电压放大处理。
水位仅的超声波发射电路由单片机输出的40KkHz方波信号一路经一级反向器74LS04后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，采用推挽形式可以提高超声波的发射强度；接收电路收到发射波后送往CX20106A 进行检波，产生外部中断，单片机通过精确的计时即可计算出至水面的距离。闻前和闻后水位仪的2路输出信号分别接人P0.4,P0.3 号脚,P1.0~P1.7用于并行通信P2.7、P2.6、P2.5分别是并行通信的写控制、全满澄出标志及复位，TMS、TCK、TDI和TDO为单片机
下载程序、在线调试接口。其他口线则用于控制。 3软件设计
(1)系统软件。数据采集系统软件主要包括信号采集命令、启动停止命令。信号采集命令主要设置各个传感器采集的频率，启动停止命令控制采集过程的启动和停止，当收到启动命令后，控制器开始根据相应的采集频率采集各个传感器的数据，接收到停止命令后停止采集，采集一定量的数据后根据LonTalk协议对数据进行打包发送到智能节点，并由智能节点的通信模块经LON网络传送给上位机进行存储，(2)SSI接口的并行数据采集。将SSI线位移传感器信号转化为高速并行数据输出信号是控制系统采集数据实时性和准确性的重要保证，时序控制是软件设计的核心，SSI接口通信时，在同步时钟的下降沿完成数据的发送请求，在上升沿开始接收数据，收发时序控制的关键就是要完成1mS的25位串行数据流的IMHz同步
时钟自动收发时序控制。 4结语
本系统集间门开度测量、水位测量和温度测量于一体，完成了多种传感器的信号采集，调理及传输，使闸门的控制精度和可靠性
大大提高。参考文献
[1]余建建.闸门监控系统中关键传感元件的应用[J].水电自动化与大坝些测,2003,27(5):81
[2]徐志承.多传感器数据采集系统设计[J].仪表技术,2012,4:52
作者简介：王欣(1975一)，男，汉族，江苏省泰州市人,江苏大学工程硕士,讲师，研究方向：机电一体化
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