基于Freescale Kinetis的農田灌溉控制板卡的設計

摘要：文章設計了一種以Freescale Kinetis K60為核心的農田灌溉控制控制卡，該卡可以通過上位機或者手持編程器編寫灌溉程序，并可脫機運行。系統(tǒng)實現(xiàn)土壤溫濕度檢測功能，能夠很好的滿足綠色農業(yè)生產要求。
關鍵詞：控制板卡；灌溉；Kinetis K60

0 引言
    目前，我國水資源問題日益突顯，水資源的匱乏和分布不合理是其客觀原因，要從根本上緩解這一問題，必須從節(jié)約用水、提高水資源利用率方面來著手。我國農業(yè)用水量約占總用水量的80％左右，由于農業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，就全國范圍而言，水的利用率僅為45％，而水資源利用率高的國家己達70～80％，因而，解決農業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。針對自動灌溉的特點，為了完成數(shù)字化控制，研制和開發(fā)了基于Frecscale Kinetis的農田灌溉控制卡。采用這樣的集成控制卡，簡化整個控制系統(tǒng)的硬件電路結構，提高系統(tǒng)的可靠性和控制精度。

1 總體設計
    根據(jù)需求，該灌溉控制卡需要滿足以下功能：
    ·控制進電機或者伺服電機，進行水泵的精確控制，每周可以獨立控制，任意閥門開度精確定位，脈沖輸出速度最大可以達到100K。
    ·軟件閥門開度限位功能。
    ·可以多機互聯(lián)，滿足農田生產協(xié)同作業(yè)的要求。
    ·與PC機連接下載灌溉控制文件。
    ·使用SD卡升級系統(tǒng)和存儲灌溉文件。
    ·可以脫機獨立工作，并支持顯示啟動、停止和故障狀態(tài)提示。
    ·最多可以控制4個土壤濕度傳感器，可與二氧化碳傳感器、照度傳感器連接。
    針對以上需求，為了滿足性能要求，同時也滿足低價位需求，選用高性能低價位的Cortex-M4ARM的單芯片解決方案。ARM芯片選用MK60DN 512ZVLL10，該單片機屬于Freescale公司的Kinetis K60系列，ARM Cortex-M4處理器是由ARM專門開發(fā)的最新嵌入式處理器，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號處理功能混合的數(shù)字信號控制市場。高效的信號處理功能與Cortex-M4處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點的組合，旨在滿足專門面向電動機控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動化市場的新興類別的靈活解決方案。
    本系統(tǒng)與PC機一起構成的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    灌溉自控系統(tǒng)主要由中心主控系統(tǒng)(主計算機、控制柜)、電磁閥、田間濕度傳感器(可測土壤濕度絕對值)、氣象觀測站(可測氣溫、風向、風速)、數(shù)據(jù)采集指令傳輸?shù)韧ㄓ嵲O備組成?？勺诳刂剖艺?，對控制板卡傳上來的氣象資料、田間土壤濕度等數(shù)據(jù)進行綜合分析，利用手動或自動方式，足不出戶地對整個被控小區(qū)進行灌溉。同時還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時記錄、查詢、打印整個灌溉小區(qū)的氣象資料、土壤濕度、灌溉設置、灌溉進程、灌水歷史記錄等數(shù)據(jù)。
    系統(tǒng)由多個控制單元組成，每個控制單元管理一片區(qū)域。利用物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)，由中央計算機統(tǒng)一管理。室外的空氣溫濕度傳感器把結果送入計算機，在這里進行灌溉參數(shù)設置，及對灌溉情況進行統(tǒng)計，并可通過專用軟件在計算機上存儲、顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時可以人工進行特殊操作。通過互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣信息，有預見性地實施灌溉。

2 硬件設計
2．1 ARM處理器的特點及應用
    Freescal的MK60DN512ZVLL10屬于Kinetis K60系列。封裝為LOFP144腳，該芯片具有以下特點：
    ·ARM Cortex-M4內核+DSP。512K flash、512K Flex Memmory、128K SRAM、16K cache、150MHz、單周期MAC、單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)擴展、可選的單精度浮點單元。
    ·多達四種可配置分辨率的高速16位ADC。可采用單路或差分輸出模式改善噪聲抑制。可編程延遲塊觸發(fā)功能轉換時間可達500 ns。
    ·具有3個高速比較器，通過將PWM保持在安全狀態(tài)，提供快速準確的電機過電流保護。
    ·多達四個64倍可編程增益放大器用于小型振幅信號轉換。
    ·模擬基準電壓為模擬塊、ADC和DAC提供精確的基準值，可以替換外部基準電壓，降低系統(tǒng)成本。
    ·具有32通道的DMA，適用于外圍設備和內存，可降低CPU負載，實現(xiàn)更快的系統(tǒng)吞吐量。
    ·連接性和通信：UART支持ISO7816和IrDA，支持I2S、IC和SPI，具有2個CAN模塊，適用于工業(yè)網(wǎng)絡橋接。
    ·可靠性和安全性：硬件循環(huán)冗余校驗引擎用于驗證存儲器內容、通信數(shù)據(jù)和增加的系統(tǒng)可靠性，獨立時鐘工作的COP用于防止代碼跑飛，外部看門狗監(jiān)控。
    ·定時和控制：強大的FlexTimers支持通用、PWM和電機控制功能?？删幊讨袛喽〞r器用于RTOS任務調度或者為ADC轉換和可編程延遲模塊提供觸發(fā)源。
    ·外部接口：多功能外部總線接口提供和外部存儲器、門陣列邏輯或LCD的接口。
    ·系統(tǒng)：5 V容限的GPIO帶引腳中斷功能。從1．71 V到3．6 V的寬操作電壓范圍，閃存編程電壓低至1．71 V，并且此時閃存和模擬外設所有功能正常。
    ·運行溫度：-40℃到105℃。
2．2 JTAG調試接口

    PC機使用JTAG接口下載程序并調試該灌溉控制卡，同時通過232串口下載灌溉控制指令。
2．3 組網(wǎng)和多機互連
    485串口和CAN接口用于組網(wǎng)和多機互聯(lián)，灌溉控制器組網(wǎng)功能可以滿足農田生產的同步化要求。組網(wǎng)可根據(jù)需要選用CAN總線或者485總線。

2．4 SDHC接口
    SDHC接口采用4位操作，用于連接SD卡，可以支持SDHC大容量SD卡，SD卡可以用于升級灌溉控制卡的應用程序和更新控制指令。其接口電路如圖5所示。

2．5 flash存儲器
    flash存儲器用于存儲多種灌溉控制方法，灌溉控制卡運行時從中讀取制定的運動灌溉文件并執(zhí)行，flash存儲器采用SPI接口的MX25L16 05，容量為16MB，可以存儲大量的灌溉控制方案文件。圖6 MX25L1605接口電路圖。非門電路轉換如圖7。

2．6 PWM接口
    PWM接口用于控制水泵電機，進行流量控制。單路PWM從MCU MK60DN512ZVLL10輸出后經(jīng)過非門電路轉換成。
2．7 外界信號的避免
    在實際工作中，應盡量避免外界信號的干擾，為達到這個目的，在系統(tǒng)中采用光電耦合器件，其輸入端配置發(fā)光器件，輸出端為受光器，開關量輸入接入電路中，會被擋在光電耦合器以外，從而將干擾隔離。輸出接口如圖8所示。

3 軟件設計
3．1 軟件開發(fā)環(huán)境
    ARM軟件開發(fā)環(huán)境選用IAR for ARM 6．2。
3．2 軟件功能概述
    系統(tǒng)與PC機連接，可以進行控制參數(shù)文件的下載、讀取，也可以通過PC上的專用軟件，進行現(xiàn)場參數(shù)的采集存檔。PC機可以進行系統(tǒng)的前期的調試安裝測試，測試好后，可以進行灌溉控制文件的編輯工作并下載到運動控制中執(zhí)行。同時為了方便灌溉控制文件的生成，在PC上設計了一套示教系統(tǒng)，使用該示教系統(tǒng)可以配置優(yōu)化控制文件。
    本系統(tǒng)采用一種基于PWM的方式來控制直流電機，靈活可靠，精度也符合要求。灌溉控制文件采用G代碼存儲于flash存儲器，開機后可以通過計算機設定的默認灌溉控制文件序號從flash存儲器讀取出來，然后逐條解析執(zhí)行。執(zhí)行時如果是灌溉指令，軟件脫機運行框圖如圖9所示：

3．3 軟件關鍵算法
    水泵控制算法：本文水泵轉速控制采用自適應控制算法，自適應控制是在系統(tǒng)運行過程中不斷提取有關模型信息，該算法根據(jù)新的信息調整，它是克服參數(shù)變化影響的有力手段。自適應控制系統(tǒng)可看成有兩個閉環(huán)，一個是常規(guī)由控制器與被控對象組成的反饋環(huán)；另一個是控制器的參數(shù)調節(jié)環(huán)。如圖10所示。

4 小結
    隨著計算機技術和電子技術的發(fā)展，將大量使用自動化設備代替人工操作，可以滿足復雜控制的灌溉控制卡在生態(tài)農業(yè)中的應用也會越來越廣泛。本文介紹的灌溉控制板卡經(jīng)測試和使用均能滿足要求，可以長時間重復性工作，大大減少農田勞動力的使用，減輕工作強度，同時對提高生產效率和優(yōu)化作物生長也有很大的效果。