基于Freescale Kinetis的农田灌溉控制板卡的设计
摘要：文章设计了一种以Freescale Kinetis K60为核心的农田灌溉控制控制卡，该卡可以通过上位机或者手持编程器编写灌溉程序，并可脱机运行。系统实现土壤温湿度检测功能，能够很好的满足绿色农业生产要求。
关键词：控制板卡；灌溉；Kinetis K60
0 引言
目前，我国水资源问题日益突显，水资源的匮乏和分布不合理是其客观原因，要从根本上缓解这一问题，必须从节约用水、提高水资源利用率方面来着手。我国农业用水量约占总用水量的80％左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为45％，而水资源利用率高的国家己达70～80％，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。针对自动灌溉的特点，为了完成数字化控制，研制和开发了基于Frecscale Kinetis的农田灌溉控制卡。采用这样的集成控制卡，简化整个控制系统的硬件电路结构，提高系统的可靠性和控制精度。
1 总体设计
根据需求，该灌溉控制卡需要满足以下功能：
·控制进电机或者伺服电机，进行水泵的精确控制，每周可以独立控制，任意阀门开度精确定位，脉冲输出速度最大可以达到100K。
·软件阀门开塑封电感器度限位功能。
·可以多机互联，满足农田生产协同作业的要求。
·与PC机连接下载灌溉控制文件。
·使用SD卡升级系统线圈电感器和存储灌溉文件。
·可以脱机独立工作，并支持显示启动、停止和故障状态提示。
·最多可以控制4个土壤湿度传感器，可与二氧化碳传感器、照度传感器连接。
针对以上需求，为了满足性能要求，同时也满足低价位需求，选用高性能低价位的Cortex-M4ARM的单芯片解决方案。ARM芯片选用MK60DN 512ZVLL10，该单片机属于Freescale公司的Kinetis K60系列，ARM Cortex-M4处理器是由ARM专门开发的最新嵌入式处理器，用以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。高效的信号处理功能与Cortex-M4处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点的组合，旨在满足专门面向电动机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频和工业自动化市场的新兴类别的灵活解决方案。
本系统与PC机一起构成的系统框图如图1所示。
灌溉自控系统主要由中心主控系统(主计算机、控制柜)、电磁阀、田间湿度传感器(可测土壤湿度绝对值)、气象观测站(可测气温、风向、风速)、数据采集指令传输等通讯设备组成。塑封电感器可坐在控制室罩，对控制板卡传上来的气象资料、田间土壤湿度等数据进行综合分析，利用手动或自动方式，足不出户地对整个被控小区进行灌溉。同时还可以利用数据查询系统和打印系统，随时记录、查询、打印整个灌溉小区的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌水历史记录等数据。
系统由多个控制单元组成，每个控制单元管理一片区域。利用物联网、工业以太网，由中央计算机统一管理。室外的空气温湿度传感器把结果送入计算机，在这里进行灌溉参数设置，及对灌溉情况进行统计，并可通过专用软件在计算机上存储、显示数据和图表。同时可以人工进行特殊操作。通过互联网获取天气信息，有预见性地实施灌溉。
2 硬件设计
2．1 ARM处理器的特点及应用
Freescal的MK60DN512ZVLL10属于Kinetis K60系列。封装为LOFP144脚，该芯片具有以下特点：
·ARM Cortex-M4内核+DSP。512K 电感厂家flash、512K Flex Memmory、128K SRAM、16K cache、150MHz、单周期MAC、单指令多数据(SIMD)扩展、可选的单精度浮点单元。
·多达四种可配置分辨率的高速16位ADC。可采用单路或差分输出模式改善噪声抑制。可编程延迟块触发功能转换时间可达500 ns。
·具有3个高速比较器，通过将PWM保持在安全状态，提供快速准确的电机过电流保护。
·多达四个64倍可编程增益放大器用于小型振幅电感器生产信号转换。
·模拟基准电压为模拟块、ADC和DAC提供精确的基准值，可以替换外部基准电压，降低系统成本。
·具有32通道的DMA，适用于外围设备和内存，可降低CPU负载，实现更快的系统吞吐量。
·连接性和通信：UART支持ISO7816和IrDA，支持I2S、IC和SPI，具有2个CAN模块，适用于工业网络桥接。
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