于薇，董全林，張玉蓮，張春熹

（1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191；2.微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191；3.河南教育學(xué)院，河南信陽(yáng)464000）

基于MSP430單片機(jī)的閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)研究

于薇1，2，董全林1，2，張玉蓮3，張春熹1，2

（1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191；2.微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191；3.河南教育學(xué)院，河南信陽(yáng)464000）

針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥位置檢測(cè)與控制的要求，研究了一種基于MSP430單片機(jī)的閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的機(jī)械式閥位調(diào)控裝置相比，該系統(tǒng)具有智能化、功能完善、控制靈敏的特點(diǎn)。硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)運(yùn)算處理單元、前端采樣、后端驅(qū)動(dòng)以及外圍功能芯片等構(gòu)成；軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，通過(guò)中斷觸發(fā)CPU的低功耗模式，可降低系統(tǒng)功耗，提高工作效率。經(jīng)測(cè)試表明，系統(tǒng)以較低的成本實(shí)現(xiàn)了較好的性能，可以廣泛應(yīng)用于各種工控領(lǐng)域。

MSP430F5438單片機(jī)；閥位控制；智能檢測(cè)；調(diào)節(jié)閥

0 引言

調(diào)節(jié)閥位置的檢測(cè)與控制，傳統(tǒng)方法是采用機(jī)械式的閥門(mén)位置調(diào)控裝置，其零件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢、功能簡(jiǎn)單、易發(fā)熱、機(jī)械磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)已然無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)過(guò)程控制品質(zhì)的高標(biāo)準(zhǔn)和高要求[1-2]。近年來(lái)，隨著集成芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，基于單片機(jī)、ARM等微控制器的智能型閥位檢測(cè)裝置逐漸興起。在我國(guó)，工業(yè)控制領(lǐng)域中使用的智能型閥門(mén)定位器產(chǎn)品以美國(guó)Fisher、德國(guó)Siemens、瑞士ABB等國(guó)外大公司的產(chǎn)品為主，而國(guó)產(chǎn)的閥門(mén)定位器多因功能不完善，調(diào)節(jié)精度低等原因無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。為振興民族工業(yè)，減小進(jìn)口成本，研發(fā)國(guó)產(chǎn)型高質(zhì)量、低成本的智能型電氣閥門(mén)定位器迫在眉睫。

本文研究的基于MSP430F5438單片機(jī)的閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，其功能完善、性能良好，能夠準(zhǔn)確采集閥位的目標(biāo)信號(hào)和真實(shí)信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)處理，通過(guò)閥位控制算法可以保證調(diào)節(jié)閥能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤給定值信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的精準(zhǔn)定位。

1 智能檢測(cè)原理

閥位智能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的控制原理簡(jiǎn)圖，如圖1所示。系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的中央處理單元接收外部給定的閥位設(shè)定值信號(hào)SP和位移傳感器檢測(cè)到的閥位反饋值信號(hào)PV，當(dāng)出現(xiàn)位置偏差時(shí)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行內(nèi)部算法處理運(yùn)算，并輸出PWM電控信號(hào)到I/P電氣轉(zhuǎn)換單元的電磁閥。圖1中所示為兩個(gè)兩位三通電磁閥，可對(duì)一個(gè)單作用氣缸實(shí)施控制。I/P轉(zhuǎn)換單元將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)為合適的氣動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸的閥桿上下移動(dòng)，從而控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及行程，使其迅速動(dòng)作到預(yù)定位置。

圖1 閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)圖

本文研究的閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)的性能要求如下：

（1）能夠接收收來(lái)自調(diào)節(jié)器的電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，能夠采集閥位的反饋電壓信號(hào)。

（2）對(duì)以上采集到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、整理并進(jìn)行模糊化處理和判斷，實(shí)施控制算法輸出一定寬度的脈沖信號(hào)控制電磁閥。

（3）利用按鍵能在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)閥門(mén)的特性參數(shù)以及閥芯的最大、最小行程等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

（4）利用LCD能現(xiàn)場(chǎng)顯示輸入的參數(shù)以及閥門(mén)開(kāi)度。

（5）具有斷電保存功能、看門(mén)狗功能、電源電壓監(jiān)測(cè)功能等。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

如圖2所示，測(cè)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包括MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電源及其監(jiān)控模塊、信號(hào)取樣單元、位置反饋單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電氣轉(zhuǎn)換單元及其驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字溫度傳感器及E2PROM電路、人機(jī)交互單元（四輸入按鍵和LCD模組）等幾個(gè)部分。下面將分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行介紹。

2.1 主控芯片

微控制器是所有運(yùn)算和控制的核心，本系統(tǒng)選擇的是TI公司的MSP430系列單片機(jī)，型號(hào)為MSP430F5438。該單片機(jī)是一款16位超低功耗微控制器，具有256 KB的FLASH ROM，16 KB的SRAM，晶振頻率最高可達(dá)25 MHz，3個(gè)定時(shí)器，內(nèi)部自帶12位ADC，具備I2C，SPI，UART等通信接口以及JTAG調(diào)試功能，含67個(gè)GPIO口。其豐富的自帶硬件設(shè)備以及穩(wěn)定可靠的性能符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。微控制器的關(guān)鍵任務(wù)是將閥位反饋值信號(hào)經(jīng)過(guò)必要的修正后，與閥位設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較得到誤差制信號(hào)e，并根據(jù)e值進(jìn)行內(nèi)部的算法運(yùn)算最終輸出一定占空比的PWM方波，通過(guò)控制I/P轉(zhuǎn)換單元電磁閥的進(jìn)氣或排氣操作，使閥位進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

圖2 閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

2.2 電源及其監(jiān)控

電源及其監(jiān)控模塊為整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)供電，系統(tǒng)外部接入24 V的直流電源，通過(guò)DC-DC變換器或穩(wěn)壓器LDO轉(zhuǎn)換出需要的電壓，閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)相關(guān)器件電壓需求如表1所示。

表1 閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)相關(guān)器件電壓需求

由表1可知，控制系統(tǒng)所需的電源電壓共有三個(gè)，24 V，5 V和3.3 V。5 V電壓的獲取采用的是3 A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2576，其內(nèi)部包含52 kHz頻率振蕩器和1.23 V的基準(zhǔn)穩(wěn)壓器以及功能完善的保護(hù)電路，因此只需要很少的外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)高效的穩(wěn)壓電路。5～3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換采用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117，簡(jiǎn)易方便。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性，需要對(duì)測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵電源5 V和3.3 V電壓進(jìn)行監(jiān)控[3]，采用的是復(fù)位閾值為2.93 V的MAX706S芯片，其功能強(qiáng)大、性能可靠，并兼具看門(mén)狗的功能，可保證系統(tǒng)死機(jī)以及程序跑飛等情況發(fā)生時(shí)的可靠復(fù)位。

2.3 信號(hào)采樣及處理

調(diào)節(jié)器送來(lái)的4～20 mA范圍內(nèi)的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)取樣單元處理后作為閥位設(shè)定值SV，其中的取樣單元電路采用高端電流檢測(cè)法將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為ADC能接收的模擬電壓信號(hào)。由位移傳感器及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的位置反饋單元電路檢測(cè)到閥門(mén)實(shí)際位置的信號(hào)作為閥位反饋值PV，其中位移傳感器采用的是直行程自復(fù)位回彈式位移傳感器。兩路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器最終轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可接收的數(shù)字電壓信號(hào)，然后傳遞給MCU的數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行后續(xù)處理。

2.4 電氣轉(zhuǎn)換單元及其驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)發(fā)出PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)I/P轉(zhuǎn)換，把電流信號(hào)通過(guò)I/P轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)排氣，從而轉(zhuǎn)換為先導(dǎo)閥氣壓變化，經(jīng)放大推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)又帶動(dòng)位移傳感器，引起反饋信號(hào)的變化，此信號(hào)送入微處理器與輸入信號(hào)比較，經(jīng)處理后微處理器給出一個(gè)新的控制量。因此，電氣轉(zhuǎn)換單元的作用就是把單片機(jī)發(fā)出的電控信號(hào)轉(zhuǎn)變成氣動(dòng)信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿的動(dòng)作，它是氣動(dòng)執(zhí)行器的先導(dǎo)部分，其實(shí)現(xiàn)主要依靠三種技術(shù)：噴嘴擋板技術(shù)、壓電閥技術(shù)、電磁閥技術(shù)[4]。

本研究使用電磁閥作為電氣轉(zhuǎn)換單元的主體，因其體形輕巧、功率微小、動(dòng)作快速、使用安全，電磁閥的工作原理是通過(guò)閥芯和閥體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使氣路接通、關(guān)斷或變換方向，以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)執(zhí)行器的啟動(dòng)、停止或方向變換[5]。本系統(tǒng)使用的是SMC公司的常閉型兩位三通電磁閥，其工作電流為I=P U=0.4 W/24 V≈17/mA，但從MSP430單片機(jī)單個(gè)引腳輸出的控制信號(hào)電流最大不超過(guò)6 mA，因此單片機(jī)I/O端口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，故需要根據(jù)電磁閥的電氣參數(shù)設(shè)計(jì)合理的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路。電路設(shè)計(jì)基本思想為：首先通過(guò)單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)光電耦合器，再通過(guò)光電耦合器驅(qū)動(dòng)三極管，最后三極管驅(qū)動(dòng)電磁閥。

2.5 其他功能模塊

數(shù)字溫度傳感器LM75用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的環(huán)境溫度信息，E2PROM芯片24LC641用于儲(chǔ)存系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)，它們都采用I2C通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LCD和按鍵一起提供人機(jī)交互功能[6]，顯示器用于顯示閥門(mén)定位器的各種狀態(tài)信息，按鍵用于輸入各種組態(tài)數(shù)據(jù)和手動(dòng)操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)采樣處理程序、閥位控制算法程序以及人機(jī)界面監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用CPU進(jìn)入低功耗模式后等待中斷請(qǐng)求的方式，中斷請(qǐng)求主要有按鍵中斷（I/O中斷）和定時(shí)中斷（Timer中斷），軟件總體規(guī)劃如圖3所示。

圖3 軟件總體規(guī)劃圖

系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先設(shè)置看門(mén)狗進(jìn)行各模塊的初始化操作，然后根據(jù)閥門(mén)的辨識(shí)結(jié)果裝載初始參數(shù)，調(diào)用液晶顯示子程序，最后進(jìn)入低功耗模式等待中斷喚醒。中斷類(lèi)型有兩種，一是定時(shí)中斷，二是按鍵中斷，前者優(yōu)先級(jí)更高。定時(shí)中斷主要完成CPU內(nèi)輸入數(shù)據(jù)的采樣處理以及控制算法的程序，按鍵中斷完成模式選擇、參數(shù)配置等操作，并通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示輸入值、閥門(mén)開(kāi)度等參數(shù)。

利用MSP430F5438自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12中的兩個(gè)通道A2，A3分別對(duì)設(shè)定值和反饋值模擬量輸入進(jìn)行采集。為了使采樣數(shù)據(jù)更加可靠，需要對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，常用的數(shù)字濾波有限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推濾波法等。本設(shè)計(jì)采用中位值平均濾波法，具體實(shí)現(xiàn)方法為連續(xù)采樣12次，將采樣值存儲(chǔ)在數(shù)組ADC_BUF[12]中，采用冒泡法去除最大值以濾去脈沖干擾同時(shí)去除最小值以濾去小的隨機(jī)干擾，再求出余下的10次采樣值的算術(shù)平均值，即作為本次采樣的返回值。

閥位智能控制算法采用常規(guī)PID與模糊控制相結(jié)合的方式，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是一個(gè)具有大慣性和滯后、參數(shù)不定常、易受外界干擾的非線性時(shí)變系統(tǒng)，同時(shí)很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型，而模糊控制算法可以不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，直接應(yīng)用于非線性系統(tǒng)[7-8]。PID控制是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的算法，但其控制參數(shù)不能在線整定，影響控制效果。本文將模糊控制法和常規(guī)PID控制相結(jié)合，利用模糊規(guī)則對(duì)PID參數(shù)在線整定，提高了閥門(mén)定位的精度[9-10]。

4 閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)功能調(diào)試

設(shè)計(jì)完成的閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)如圖4所示，實(shí)驗(yàn)儀器包括直流穩(wěn)定電源、示波器、萬(wàn)用表、PC機(jī)、仿真器等。

圖4 系統(tǒng)功能調(diào)試平臺(tái)

控制系統(tǒng)硬件包括兩塊電路板，分別為主控板和接口板，外接LCD模組和四輸入鍵盤(pán)。系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為IAR Embedded Workbench，以C語(yǔ)言編程，系統(tǒng)的仿真調(diào)試采用北京博維電子的MSP430專(zhuān)用USB仿真器。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種閥位智能調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)軟硬件總體及各部分組成進(jìn)行了詳細(xì)闡述。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)可以對(duì)調(diào)節(jié)閥閥位進(jìn)行有效的控制，通過(guò)軟件算法能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣處理，參數(shù)的自整定，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的控制狀態(tài)。該系統(tǒng)成本低、可靠性好、操作靈活、功能多樣，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

注：本文通訊作者為董全林。

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Study on MSP430 SCM based measurement and control system of valve intelligent regulation

YU Wei1，2，DONG Quanlin1，2，ZHANG Yulian3，ZHANG Chunxi1，2
（1.School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics of Ministry of Education，Beijing 100191，China；3.Henan Institute of Education，Xinyang 464000，China）

For the demands of location detection and control of the pneumatic control valve in industrial control fields，a measurement and control system of valve intelligent regulation based on MSP430 SCM is studied.Compared with the traditional mechanical valve location control device，this system has the advantages of high intelligence，perfect function and sensitive control.The hardware system is constituted of SCM operating and processing unit，sampling unit in front end，driving unit in back end and peripheral function chips.The software system is based on the modularization design thought，in which the CPU low power mode is triggered by interrupt to reduce the system power consumption and improve the working efficiency.The test results show that the system can realize the excellent performance with low cost，and is widely used in various industrial control fields.

MSP430F5438 SCM；valve location control；intelligent detection；control valve

TN876-34；TP273

A

1004-373X（2015）23-0094-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.025

于薇（1992—），女，碩士研究生。主要從事智能閥門(mén)定位器及調(diào)節(jié)閥、超顯微儀器技術(shù)、慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)的研究。

董全林（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事智能閥門(mén)定位器及調(diào)節(jié)閥、超顯微儀器技術(shù)、慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)的研究。

2015-05-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2006BAK03A24）

張玉蓮（1981—），女，河南信陽(yáng)人，講師。主要從事基礎(chǔ)數(shù)學(xué)教學(xué)與研究。