基于HART協(xié)議智能閥門(mén)定位器的研究

基于HART合同智能閥門(mén)定位器的研究

作者：劉會(huì)森董全林丁瑩張玉蓮張春熹

來(lái)源：《當(dāng)代電子技術(shù)》第15期

摘要：針對(duì)工控領(lǐng)域閥門(mén)控制系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)控制精度高、能耗低的規(guī)定，對(duì)基于HART合同智能閥門(mén)定位器進(jìn)行了研究，在符合設(shè)計(jì)規(guī)定的基礎(chǔ)上，給出了二線制HART型智能閥門(mén)定位器的軟硬件設(shè)計(jì)方案。硬件電路以主控芯片MSP430單片機(jī)為主，配以信號(hào)采樣電路、閥位反饋電路、HART通信電路等構(gòu)成硬件系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，各響應(yīng)均以中斷請(qǐng)求的方式進(jìn)行。該系統(tǒng)滿足系統(tǒng)的低功耗，閥位精確控制，含有HART通信等規(guī)定，對(duì)有關(guān)產(chǎn)品的研制含有指導(dǎo)意義。

核心詞：閥門(mén)定位器；MSP430；HART合同；控制電路

中圖分類(lèi)號(hào)：TN915.04?34；TP273文獻(xiàn)標(biāo)記碼：A文章編號(hào)：1004?373X（）15?0160?04

Abstract：Sincethevalvecontrolsysteminindustrialcontrolfieldhasthedemandforthehighcontrolaccuracyandlowenergyconsumptionofthevalve，theintelligentvalvepositionerbasedonHARTprotocolisstudied.Onthebasisofcomplyingwiththedesignrequirement，thesoftwareandhardwaredesignschemesoftheintelligentvalvepositioneroftwo?wireHARTtypearegiven.ThehardwarecircuittakesMSP430microcontrollerasthemaincontroller.Thehardwaresystemiscomposedofsignalsamplingcircuit，valvefeedbackcircuitandHARTcommunicationcircuit.Thesoftwaredesignadoptsthemodulardesign，andeachresponseareconductedintheformofinterruptrequest.Thissystemcanmeettherequirementsoflowpowerconsumptionandaccuratevalvepositioncontrol，andhasHARTcommunicationfunction.Thisstudyhastheguidesignificancetothedevelopmentofrelatedproducts.

Keywords：valvepositioner；MSP430；HARTprotocol；controlcircuit

0引言

隨著工業(yè)控制領(lǐng)域不停向著智能化方向發(fā)展，各類(lèi)過(guò)程控制儀器也逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的轉(zhuǎn)變。由閥門(mén)定位器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門(mén)主體三部分構(gòu)成的閥門(mén)控制系統(tǒng)在石油、化工、食品、冶金、制藥、輕紡、機(jī)械等各大領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]，其控制性能的好壞也在很大程度上制約著有關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的最后質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)閥門(mén)控制系統(tǒng)的智能控制，閥門(mén)定位器也從傳統(tǒng)的機(jī)械力平衡式發(fā)展成了基于微解決器的智能式電信號(hào)解決。而國(guó)外如德國(guó)的西門(mén)子、美國(guó)的FISHER、日本山武（后改名為Azbil）等公司都相繼成功研制出智能型二線制電/氣閥門(mén)定位器，或配有HART，Profibus等現(xiàn)場(chǎng)總線接口的數(shù)字式電氣閥門(mén)定位器，提高了閥門(mén)定位器的控制性能，代表了閥門(mén)定位器發(fā)展的趨勢(shì)[2]。但國(guó)內(nèi)有關(guān)方面的研究起步較晚，技術(shù)不成熟，發(fā)展緩慢，研制的產(chǎn)品與國(guó)外相比更是存在一定的差距，也正由于控制性能的不佳造成了現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)長(zhǎng)久大量購(gòu)置國(guó)外昂貴的產(chǎn)品，成為了制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大因素。

本文針對(duì)基于HART合同智能閥門(mén)定位器進(jìn)行研究，在滿足定位器低功耗的前提下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自整定調(diào)節(jié)和閥位的精確控制，同時(shí)含有HART通信的功效。

1閥門(mén)控制系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，二線制智能閥門(mén)控制系統(tǒng)重要由智能閥門(mén)定位器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥主體三部分構(gòu)成。圖1中電源模塊、中央控制單元、HART通信模塊、電磁閥I/P轉(zhuǎn)換模塊、取樣電路模塊、人機(jī)交互模塊和閥位反饋模塊共同構(gòu)成了智能閥門(mén)定位器。在控制過(guò)程中，智能定位器接受4～20mA原則電流信號(hào)，此電流信號(hào)首先被電源模塊通過(guò)轉(zhuǎn)換電路生成系統(tǒng)各模塊所需的工作電壓，另首先通過(guò)取樣電路將控制電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電壓信號(hào)，此控制電壓信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送給微解決器[3]。轉(zhuǎn)換得到的控制電壓信號(hào)來(lái)自兩個(gè)不同途徑，分別對(duì)應(yīng)于人為設(shè)定的控制信息和實(shí)際反饋的位置信息。通過(guò)微解決器對(duì)這兩路控制信息按照預(yù)先設(shè)定好的轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行解決，得到兩個(gè)信號(hào)之間的差值，根據(jù)此差值再結(jié)合設(shè)定的控制算法輸出不同占空比的PWM波，用以驅(qū)動(dòng)并控制I/P轉(zhuǎn)換模塊的電磁閥通斷時(shí)間，從而完畢對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜室內(nèi)的沖放氣過(guò)程，達(dá)成控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥芯運(yùn)動(dòng)的目的。同時(shí)系統(tǒng)配備有HART通信，能夠通過(guò)上位主機(jī)監(jiān)測(cè)閥門(mén)位置，也能夠運(yùn)用HART通信對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定。這樣通過(guò)人為設(shè)定控制信號(hào)和閥位反饋信號(hào)形成一種閉環(huán)負(fù)反饋的控制系統(tǒng)，便可對(duì)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)快速、精確、穩(wěn)定的定位控制。

2智能閥門(mén)定位器硬件設(shè)計(jì)

基于HART合同的智能閥門(mén)定位器采用二線制的方式，電源線和信號(hào)線共用[4]。系統(tǒng)硬件電路重要由中央控制單元、HART接口單元、電源電路、I/P控制電路、人機(jī)界面接口和閥位反饋電路構(gòu)成，其控制電路原理圖如圖2所示。由于該系統(tǒng)選用的微解決器屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件，因此設(shè)計(jì)取樣電路將線路中4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)交由MCU進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。而為了進(jìn)行更精確的定位，系統(tǒng)需要通過(guò)位移傳感器反饋閥門(mén)的實(shí)際位置信號(hào)，MCU通過(guò)對(duì)設(shè)定信號(hào)與反饋信號(hào)這兩路信號(hào)的比較、計(jì)算，輸出符合控制規(guī)則的信號(hào)調(diào)節(jié)閥門(mén)位置，形成有效的閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)控系統(tǒng)。

2.1中央控制單元

中央控制單元采用美國(guó)TI公司的MSP430F5438單片機(jī)，該單片機(jī)在1.8～3.6V電壓下工作，不僅含有超低功耗的特性，并且功效強(qiáng)大。MSP430F5438單片機(jī)含有16位RISC構(gòu)造，有高達(dá)512KB閃存和66KBRAM，時(shí)鐘最高可達(dá)25MHz，有正常模式和5種低功耗模式，5種時(shí)鐘源，且內(nèi)部集成了12位8通道A/D采樣模塊，含有I2C，SPI，UART通信接口以及JTAG仿真調(diào)試模塊，可在5μs內(nèi)從待機(jī)模式快速喚醒。

MSP430F5438單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，運(yùn)用其強(qiáng)大的運(yùn)算性能對(duì)4～20mA控制信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行采樣比較，做出對(duì)應(yīng)的控制方略并產(chǎn)生符合目的的PWM控制信號(hào)對(duì)電磁閥的通斷進(jìn)行控制。

2.2電源模塊

智能定位器的設(shè)計(jì)采用二線制形式，其電源線和信號(hào)線共用兩根導(dǎo)線，故各個(gè)器件的工作電壓全部取自4～20mA的電流。在電路中MCU的工作電壓為3.3V，電磁閥工作電壓為24V，LCD工作電壓為5V，另外，系統(tǒng)還需要產(chǎn)生2.5V的電壓基準(zhǔn)源，因此電源模塊的任務(wù)就是通過(guò)電路的設(shè)計(jì)將4～20mA電流轉(zhuǎn)換成實(shí)際各模塊所需的工作電壓。

2.3I/P轉(zhuǎn)換模塊

I/P轉(zhuǎn)換單元的重要作用是通過(guò)微控制器輸出PWM信號(hào)的占空比變化來(lái)控制電磁閥的通斷時(shí)間，從而控制氣室內(nèi)的氣體壓力[5]。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將氣室壓力的變化轉(zhuǎn)換為閥桿的直線位移或角位移，以此變化調(diào)節(jié)閥閥芯的位置，進(jìn)而控制流入或流出控制系統(tǒng)的物料，實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。

2.4人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊的重要作用是實(shí)現(xiàn)操作者和控制系統(tǒng)之間的交流通信?；贖ART合同智能型閥門(mén)定位器運(yùn)用增鍵、減鍵、功效鍵、選擇鍵4個(gè)按鍵作為人機(jī)對(duì)話輸入部分，由于MSP430F5438管腳足夠多，故按鍵設(shè)計(jì)時(shí)采用單鍵輸入式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的工作模式、控制參數(shù)的設(shè)立等功效。

本設(shè)計(jì)選用品有功耗低、體積小、重量輕、超薄等優(yōu)點(diǎn)的點(diǎn)陣型液晶顯示屏OCM12864?9作為顯示屏件，用于顯示閥門(mén)定位器的多個(gè)狀態(tài)信息。該LCD自帶驅(qū)動(dòng)電路，顯示內(nèi)容為128×64點(diǎn)陣，能直接與MCU連接使用。

2.5HART接口單元

HART電路模塊的功效是把智能定位器主電路與HART主機(jī)設(shè)備連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電氣閥門(mén)定位器的遠(yuǎn)程操作。HART合同采用bell202原則的FSK頻移鍵控信號(hào)，在4～20mA模擬電流信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波，其傳輸示意圖如圖3所示。由于它疊加的正弦波信號(hào)平均值為零，因此不會(huì)影響4～20mA模擬電流信號(hào)的傳輸。

本設(shè)計(jì)選用SMAR公司推出的用于HART信號(hào)調(diào)制解調(diào)的專(zhuān)用低功耗芯片HT。該芯片重要由控制邏輯、載波檢測(cè)、調(diào)制與解調(diào)四個(gè)部分構(gòu)成[6]。另外，采用MSP430的USART0作為與HT的通信接口，接口連接如圖4所示。

INRTS腳為HT的工作方式控制端，OCD腳為載波信號(hào)檢測(cè)端。MSP430工作在異步模式下，當(dāng)HT的IRXA引腳上出現(xiàn)（1200±10）Hz或（2200±20）Hz的頻率信號(hào)時(shí)，OCD出現(xiàn)高電平，闡明線路上出現(xiàn)了有效的HART信號(hào)。若OCD為低電平，闡明總線空閑。這時(shí)若設(shè)P4.2也為低電平，則HT的調(diào)制器打開(kāi)，將從ITXD接受的數(shù)據(jù)調(diào)制整形后由OTXA引腳發(fā)送；若OCD為高電平，同樣設(shè)P4.2為高電平，則HT的解調(diào)器開(kāi)始工作，外部線路上傳輸?shù)腍ART信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換后由ORXD傳送給單片機(jī)進(jìn)行解決[7]。

3智能閥門(mén)定位器軟件設(shè)計(jì)

智能定位器軟件部分重要由主程序、控制程序、人機(jī)界面管理程序及HART通信程序構(gòu)成[8]。為了達(dá)成低功耗的目的，整個(gè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)將重要采用中斷請(qǐng)求的方式進(jìn)行。當(dāng)沒(méi)有外部請(qǐng)求時(shí)系統(tǒng)將工作在低功耗模式，有任務(wù)請(qǐng)求時(shí)采用中斷方式喚醒對(duì)應(yīng)模塊工作，一旦請(qǐng)求完畢立刻返回低功耗模式。

系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行初始化解決，顧客能夠完畢對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)立，同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗的等待模式。各中斷程序優(yōu)先級(jí)次序?yàn)槎〞r(shí)中斷>HART通信>按鍵中斷，系統(tǒng)根據(jù)接受到的中斷請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)依次喚醒CPU工作，完畢對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序后系統(tǒng)再次進(jìn)入低功耗模式，系統(tǒng)程序執(zhí)行流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)主程序是以智能閥門(mén)定位器所用的MSP430控制器為硬件基礎(chǔ)，在其上運(yùn)用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，為后續(xù)各中斷服務(wù)應(yīng)用程序提供一種軟件平臺(tái)。控制程序的重要任務(wù)是完畢對(duì)過(guò)程變量的采樣、數(shù)據(jù)解決及根據(jù)控制算法和控制方式進(jìn)行計(jì)算和輸出控制信號(hào)；管理程序重要完畢人機(jī)交互設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤解決、重要數(shù)據(jù)掉電保護(hù)及系統(tǒng)自診療過(guò)程；HART通信程序重要完畢HART通信合同的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層合同規(guī)范所規(guī)定的具體任務(wù)，即生成符合HART合同的通信數(shù)據(jù)和對(duì)HART命令進(jìn)行編碼和解碼，使智能設(shè)備和監(jiān)控計(jì)算機(jī)可通過(guò)這些命令辨識(shí)對(duì)方信息。通信程序采用主從方式[9]（即當(dāng)HART通信的主機(jī)產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的訪問(wèn)時(shí)通信程序才開(kāi)始予以回應(yīng)），以串行口負(fù)責(zé)接受和發(fā)送，當(dāng)串行口接受到主機(jī)發(fā)送的命令幀后，智能定位器控制系統(tǒng)做出數(shù)據(jù)解決，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的應(yīng)答幀并送到發(fā)送緩沖區(qū)，再通過(guò)MCU中的CPU觸發(fā)發(fā)送中斷發(fā)回應(yīng)答幀，完畢整個(gè)信息的交換，基本的串行中斷程序如圖6所示。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)HART型智能閥門(mén)定位器進(jìn)行研究，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的敘述，給出了合理的設(shè)計(jì)方案，解決了低功耗控制電路和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、控制軟件設(shè)計(jì)等核心的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了HART通信功效。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)智能閥門(mén)定位器的快速發(fā)展提供了線索，加緊了智能閥門(mén)定位器向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的速度。

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