基于HART協(xié)議智能閥門定位器的研究

摘 要： 針對工控領域閥門控制系統(tǒng)對閥門控制精度高、能耗低的要求，對基于HART協(xié)議智能閥門定位器進行了研究，在符合設計要求的基礎上，給出了二線制HART型智能閥門定位器的軟硬件設計方案。硬件電路以主控芯片MSP430單片機為主，配以信號采樣電路、閥位反饋電路、HART通信電路等組成硬件系統(tǒng)；軟件設計采用模塊化設計，各響應均以中斷請求的方式進行。該系統(tǒng)滿足系統(tǒng)的低功耗，閥位準確控制，具備HART通信等要求，對相關產(chǎn)品的研制具有指導意義。

關鍵詞： 閥門定位器； MSP430； HART協(xié)議； 控制電路

中圖分類號： TN915.04?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）15?0160?04

Abstract： Since the valve control system in industrial control field has the demand for the high control accuracy and low energy consumption of the valve， the intelligent valve positioner based on HART protocol is studied. On the basis of complying with the design requirement， the software and hardware design schemes of the intelligent valve positioner of two?wire HART type are given. The hardware circuit takes MSP430 microcontroller as the main controller. The hardware system is composed of signal sampling circuit， valve feedback circuit and HART communication circuit. The software design adopts the modular design， and each response are conducted in the form of interrupt request. This system can meet the requirements of low power consumption and accurate valve position control， and has HART communication function. This study has the guide significance to the development of related products.

Keywords： valve positioner； MSP430； HART protocol； control circuit

0 引 言

隨著工業(yè)控制領域不斷向著智能化方向發(fā)展，各類過程控制儀器也逐漸實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的轉變。由閥門定位器、執(zhí)行機構、閥門主體三部分組成的閥門控制系統(tǒng)在石油、化工、食品、冶金、制藥、輕紡、機械等各大領域得到了廣泛的應用[1]，其控制性能的好壞也在很大程度上制約著相關產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的最終質量。為了實現(xiàn)閥門控制系統(tǒng)的智能控制，閥門定位器也從傳統(tǒng)的機械力平衡式發(fā)展成了基于微處理器的智能式電信號處理。而國外如德國的西門子、美國的FISHER、日本山武（后更名為Azbil）等公司都相繼成功研制出智能型二線制電/氣閥門定位器，或配有HART，Profibus等現(xiàn)場總線接口的數(shù)字式電氣閥門定位器，提高了閥門定位器的控制性能，代表了閥門定位器發(fā)展的趨勢[2]。但國內(nèi)相關方面的研究起步較晚，技術不成熟，發(fā)展緩慢，研制的產(chǎn)品與國外相比更是存在一定的差距，也正因為控制性能的不佳導致了目前國內(nèi)市場長期大量購買國外昂貴的產(chǎn)品，成為了制約我國經(jīng)濟發(fā)展的一大因素。

本文針對基于HART協(xié)議智能閥門定位器進行研究，在滿足定位器低功耗的前提下實現(xiàn)系統(tǒng)的自整定調節(jié)和閥位的準確控制，同時具備HART通信的功能。

1 閥門控制系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，二線制智能閥門控制系統(tǒng)主要由智能閥門定位器、執(zhí)行機構、閥主體三部分組成。圖1中電源模塊、中央控制單元、HART通信模塊、電磁閥I/P轉換模塊、取樣電路模塊、人機交互模塊和閥位反饋模塊共同組成了智能閥門定位器。在控制過程中，智能定位器接收4～20 mA標準電流信號，此電流信號一方面被電源模塊通過轉換電路生成系統(tǒng)各模塊所需的工作電壓，另一方面通過取樣電路將控制電流信號轉換成控制電壓信號，此控制電壓信號經(jīng)過A/D轉換后送給微處理器[3]。轉換得到的控制電壓信號來自兩個不同途徑，分別對應于人為設定的控制信息和實際反饋的位置信息。通過微處理器對這兩路控制信息按照預先設定好的轉化關系進行處理，得到兩個信號之間的差值，根據(jù)此差值再結合設定的控制算法輸出不同占空比的PWM波，用以驅動并控制I/P轉換模塊的電磁閥通斷時間，從而完成對執(zhí)行機構膜室內(nèi)的沖放氣過程，達到控制執(zhí)行機構閥芯運動的目的。同時系統(tǒng)配置有HART通信，可以通過上位主機監(jiān)測閥門位置，也可以利用HART通信對控制系統(tǒng)進行設定。這樣通過人為設定控制信號和閥位反饋信號形成一個閉環(huán)負反饋的控制系統(tǒng)，便可對閥門實現(xiàn)快速、準確、穩(wěn)定的定位控制。

2 智能閥門定位器硬件設計

基于HART協(xié)議的智能閥門定位器采用二線制的方式，電源線和信號線共用[4]。系統(tǒng)硬件電路主要由中央控制單元、HART接口單元、電源電路、I/P控制電路、人機界面接口和閥位反饋電路組成，其控制電路原理圖如圖2所示。由于該系統(tǒng)選用的微處理器屬于電壓驅動型器件，所以設計取樣電路將線路中4～20 mA電流信號轉換為電壓信號交由MCU進行模數(shù)轉換。而為了進行更準確的定位，系統(tǒng)需要通過位移傳感器反饋閥門的實際位置信號，MCU通過對設定信號與反饋信號這兩路信號的比較、計算，輸出符合控制規(guī)則的信號調節(jié)閥門位置，形成有效的閉環(huán)負反饋調控系統(tǒng)。

2.1 中央控制單元

中央控制單元采用美國TI公司的MSP430F5438單片機，該單片機在1.8～3.6 V電壓下工作，不僅具有超低功耗的特性，而且功能強大。MSP430F5438單片機具有16位RISC結構，有高達512 KB閃存和66 KB RAM，時鐘最高可達25 MHz，有正常模式和5種低功耗模式，5種時鐘源，且內(nèi)部集成了12位8通道A/D采樣模塊，具備I2C，SPI，UART通信接口以及JTAG仿真調試模塊，可在5 μs內(nèi)從待機模式快速喚醒。

MSP430F5438單片機是整個系統(tǒng)的關鍵部分，利用其強大的運算性能對4～20 mA控制信號和反饋信號進行采樣比較，做出相應的控制策略并產(chǎn)生符合目的的PWM控制信號對電磁閥的通斷進行控制。

2.2 電源模塊

智能定位器的設計采用二線制形式，其電源線和信號線共用兩根導線，故各個器件的工作電壓全部取自4～20 mA的電流。在電路中MCU的工作電壓為3.3 V，電磁閥工作電壓為24 V，LCD工作電壓為5 V，另外，系統(tǒng)還需要產(chǎn)生2.5 V的電壓基準源，所以電源模塊的任務就是通過電路的設計將4～20 mA電流轉換成實際各模塊所需的工作電壓。

2.3 I/P轉換模塊

I/P轉換單元的主要作用是通過微控制器輸出PWM信號的占空比變化來控制電磁閥的通斷時間，從而控制氣室內(nèi)的氣體壓力[5]。氣動執(zhí)行機構將氣室壓力的改變轉換為閥桿的直線位移或角位移，以此改變調節(jié)閥閥芯的位置，進而控制流入或流出控制系統(tǒng)的物料，實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。

2.4 人機交互模塊

人機交互模塊的主要作用是實現(xiàn)操作者和控制系統(tǒng)之間的交流通信。基于HART協(xié)議智能型閥門定位器利用增鍵、減鍵、功能鍵、選擇鍵4個按鍵作為人機對話輸入部分，由于MSP430F5438管腳足夠多，故按鍵設計時采用單鍵輸入式實現(xiàn)對系統(tǒng)的工作模式、控制參數(shù)的設置等功能。

本設計選用具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等優(yōu)點的點陣型液晶顯示器OCM12864?9作為顯示器件，用于顯示閥門定位器的各種狀態(tài)信息。該LCD自帶驅動電路，顯示內(nèi)容為128×64點陣，能直接與MCU連接使用。

2.5 HART接口單元

HART電路模塊的功能是把智能定位器主電路與HART主機設備連接起來實現(xiàn)對智能電氣閥門定位器的遠程操作。HART協(xié)議采用bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在4～20 mA模擬電流信號上疊加幅度為0.5 mA的正弦調制波，其傳輸示意圖如圖3所示。由于它疊加的正弦波信號平均值為零，因此不會影響4～20 mA模擬電流信號的傳輸。

本設計選用SMAR公司推出的用于HART信號調制解調的專用低功耗芯片HT2015。該芯片主要由控制邏輯、載波檢測、調制與解調四個部分組成[6]。另外，采用MSP430的USART0作為與HT2015的通信接口，接口連接如圖4所示。

INRTS腳為HT2015的工作方式控制端，OCD腳為載波信號檢測端。MSP430工作在異步模式下，當HT2015的IRXA引腳上出現(xiàn)（1 200±10）Hz或（2 200±20）Hz的頻率信號時，OCD出現(xiàn)高電平，說明線路上出現(xiàn)了有效的HART信號。若OCD為低電平，說明總線空閑。這時若設P4.2也為低電平，則HT2015的調制器打開，將從ITXD接收的數(shù)據(jù)調制整形后由OTXA引腳發(fā)送；若OCD為高電平，同樣設P4.2為高電平，則HT2015的解調器開始工作，外部線路上傳輸?shù)腍ART信號經(jīng)過轉換后由ORXD傳送給單片機進行處理[7]。

3 智能閥門定位器軟件設計

智能定位器軟件部分主要由主程序、控制程序、人機界面管理程序及HART通信程序組成[8]。為了達到低功耗的目的，整個控制系統(tǒng)軟件設計時將主要采取中斷請求的方式進行。當沒有外部請求時系統(tǒng)將工作在低功耗模式，有任務請求時采用中斷方式喚醒相應模塊工作，一旦請求完成立刻返回低功耗模式。

系統(tǒng)程序運行時首先進行初始化處理，用戶可以完成相應的參數(shù)設置，同時系統(tǒng)進入低功耗的等待模式。各中斷程序優(yōu)先級順序為定時中斷>HART通信>按鍵中斷，系統(tǒng)根據(jù)接收到的中斷請求的優(yōu)先級依次喚醒CPU工作，完成相應的中斷服務程序后系統(tǒng)再次進入低功耗模式，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定位器所用的MSP430控制器為硬件基礎，在其上利用C語言編寫程序，為后續(xù)各中斷服務應用程序提供一個軟件平臺。控制程序的主要任務是完成對過程變量的采樣、數(shù)據(jù)處理及根據(jù)控制算法和控制方式進行計算和輸出控制信號；管理程序主要完成人機交互設計、錯誤處理、重要數(shù)據(jù)掉電保護及系統(tǒng)自診斷過程；HART通信程序主要完成HART通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應用層協(xié)議規(guī)范所規(guī)定的具體任務，即生成符合HART協(xié)議的通信數(shù)據(jù)和對HART命令進行編碼和解碼，使智能設備和監(jiān)控計算機可通過這些命令辨識對方信息。通信程序采取主從方式[9]（即當HART通信的主機產(chǎn)生了相應的訪問時通信程序才開始給予回應），以串行口負責接收和發(fā)送，當串行口接收到主機發(fā)送的命令幀后，智能定位器控制系統(tǒng)做出數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應的應答幀并送到發(fā)送緩沖區(qū)，再通過MCU中的CPU觸發(fā)發(fā)送中斷發(fā)回應答幀，完成整個信息的交換，基本的串行中斷程序如圖6所示。

4 結 語

本文針對HART型智能閥門定位器進行研究，對控制系統(tǒng)的硬件、軟件設計進行了詳細的闡述，給出了合理的設計方案，解決了低功耗控制電路和單片機應用技術、控制軟件設計等核心的技術難點問題，同時實現(xiàn)了HART通信功能。為實現(xiàn)我國智能閥門定位器的快速發(fā)展提供了線索，加快了智能閥門定位器向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化發(fā)展的速度。

參考文獻

[1] 盧桂榮.基于MSP430單片機的智能閥門定位器研究[D].南京：南京理工大學，2011.

[2] 廖瑋.基于HART協(xié)議的智能定位閥控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)[D].天津：天津大學，2009.

[3] 盧桂榮.基于MSP430單片機的智能閥門定位器研究[D].南京：南京理工大學，2011.

[4] 顧筠，金智林，毛建國.二線制智能閥門定位器研究與設計[J].人民長江，2007，38（6）：60?62.

[5] 蔡明，姜福杰.一款新型智能閥門定位器的設計[J].自動化與儀表，2008，23（10）：17?19.

[6] 吳寧勝.智能閥門定位器的HART通信接口設計[J].化工自動化及儀表，2015（6）：719?722.

[7] 楊升.智能電氣定位器的HART通信接口開發(fā)[D].杭州：杭州電子科技大學，2011.

[8] 王化祥，馬敏，肖素枝.基于HART協(xié)議的智能電氣閥門定位器[J].制造業(yè)自動化，2006（2）：27?30.

[9] 李倩如，賴慶峰，毛曉明，等.HART協(xié)議的智能閥門定位器的設計和實現(xiàn)[J].自動化儀表，2010（6）：55?57.

[10] 琚玉建，謝紹斌，張薇.網(wǎng)絡協(xié)議幀切分優(yōu)化過程研究與仿真[J].計算機仿真，2015，32（1）：318?321.

[11] 劉韜.異步傳感網(wǎng)中能量感知的跨層路由協(xié)議[J].計算機仿真，2015，32（9）：290?294.