摘 要： 針對(duì)工控領(lǐng)域閥門控制系統(tǒng)對(duì)閥門控制精度高、能耗低的要求，對(duì)基于HART協(xié)議智能閥門定位器進(jìn)行了研究，在符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，給出了二線制HART型智能閥門定位器的軟硬件設(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通信電路等組成硬件系統(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，閥位準(zhǔn)確控制，具備HART通信等要求，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的研制具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 閥門定位器； MSP430； HART協(xié)議； 控制電路

中圖分類號(hào)： TN915.04?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(lǐng)域不斷向著智能化方向發(fā)展，各類過(guò)程控制儀器也逐漸實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的轉(zhuǎn)變。由閥門定位器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、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(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相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的最終質(zhì)量。為了實(shí)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(jī)械力平衡式發(fā)展成了基于微處理器的智能式電信號(hào)處理。而國(guó)外如德國(guó)的西門子、美國(guó)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(chǎng)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(shì)[2]。但國(guó)內(nèi)相關(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，也正因?yàn)榭刂菩阅艿牟患褜?dǎo)致了目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)長(zhǎng)期大量購(gòu)買國(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協(xié)議智能閥門定位器進(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)和閥位的準(zhǔn)確控制，同時(shí)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(jī)構(gòu)、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(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組成了智能閥門定位器。在控制過(guò)程中，智能定位器接收4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，此電流信號(hào)一方面被電源模塊通過(guò)轉(zhuǎn)換電路生成系統(tǒng)各模塊所需的工作電壓，另一方面通過(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)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送給微處理器[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)微處理器對(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)行處理，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，從而完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜室內(nèi)的沖放氣過(guò)程，達(dá)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥芯運(yùn)動(dòng)的目的。同時(shí)系統(tǒng)配置有HART通信，可以通過(guò)上位主機(jī)監(jiān)測(cè)閥門位置，也可以利用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)形成一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋的控制系統(tǒng)，便可對(duì)閥門實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的定位控制。

2 智能閥門定位器硬件設(shè)計(jì)

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(hào)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(jī)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(qū)動(dòng)型器件，所以設(shè)計(jì)取樣電路將線路中4～20 mA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)行更準(zhǔn)確的定位，系統(tǒng)需要通過(guò)位移傳感器反饋閥門的實(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1.8～3.6 V電壓下工作，不僅具有超低功耗的特性，而且功能強(qiáng)大。MSP430F5438單片機(jī)具有16位RISC結(jié)構(gòu)，有高達(dá)512 KB閃存和66 KB RAM，時(shí)鐘最高可達(dá)25 MHz，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，具備I2C，SPI，UART通信接口以及JTAG仿真調(diào)試模塊，可在5 μs內(nèi)從待機(jī)模式快速喚醒。

MSP430F5438單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，利用其強(qiáng)大的運(yùn)算性能對(duì)4～20 mA控制信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行采樣比較，做出相應(yīng)的控制策略并產(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4～20 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(zhǔn)源，所以電源模塊的任務(wù)就是通過(guò)電路的設(shè)計(jì)將4～20 mA電流轉(zhuǎn)換成實(shí)際各模塊所需的工作電壓。

2.3 I/P轉(zhuǎn)換模塊

I/P轉(zhuǎn)換單元的主要作用是通過(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)將氣室壓力的改變轉(zhuǎn)換為閥桿的直線位移或角位移，以此改變調(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)交互模塊的主要作用是實(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(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)置等功能。

本設(shè)計(jì)選用具有功耗低、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(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。

2.5 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(jī)設(shè)備連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電氣閥門定位器的遠(yuǎn)程操作。HART協(xié)議采用bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，在4～20 mA模擬電流信號(hào)上疊加幅度為0.5 mA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4～20 mA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)的專用低功耗芯片HT2015。該芯片主要由控制邏輯、載波檢測(cè)、調(diào)制與解調(diào)四個(gè)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(hào)檢測(cè)端。MSP430工作在異步模式下，當(dāng)HT2015的IRXA引腳上出現(xiàn)（1 200±10）Hz或（2 200±20）Hz的頻率信號(hào)時(shí)，OCD出現(xiàn)高電平，說(shuō)明線路上出現(xiàn)了有效的HART信號(hào)。若OCD為低電平，說(shuō)明總線空閑。這時(shí)若設(shè)P4.2也為低電平，則HT2015的調(diào)制器打開(kāi)，將從ITXD接收的數(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HT2015的解調(diào)器開(kāi)始工作，外部線路上傳輸?shù)腍ART信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后由ORXD傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理[7]。

3 智能閥門定位器軟件設(shè)計(jì)

智能定位器軟件部分主要由主程序、控制程序、人機(jī)界面管理程序及HART通信程序組成[8]。為了達(dá)到低功耗的目的，整個(gè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)將主要采取中斷請(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)采用中斷方式喚醒相應(yīng)模塊工作，一旦請(qǐng)求完成立刻返回低功耗模式。

系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行初始化處理，用戶可以完成相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，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)順序?yàn)槎〞r(shí)中斷>HART通信>按鍵中斷，系統(tǒng)根據(jù)接收到的中斷請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)依次喚醒CPU工作，完成相應(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定位器所用的MSP430控制器為硬件基礎(chǔ)，在其上利用C語(yǔ)言編寫程序，為后續(xù)各中斷服務(wù)應(yīng)用程序提供一個(gè)軟件平臺(tái)。控制程序的主要任務(wù)是完成對(duì)過(guò)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(jìn)行計(jì)算和輸出控制信號(hào)；管理程序主要完成人機(jī)交互設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤處理、重要數(shù)據(jù)掉電保護(hù)及系統(tǒng)自診斷過(guò)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(yīng)用層協(xié)議規(guī)范所規(guī)定的具體任務(wù)，即生成符合HART協(xié)議的通信數(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。通信程序采取主從方式[9]（即當(dāng)HART通信的主機(jī)產(chǎn)生了相應(yīng)的訪問(wèn)時(shí)通信程序才開(kāi)始給予回應(yīng)），以串行口負(fù)責(zé)接收和發(fā)送，當(dāng)串行口接收到主機(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)處理，產(chǎn)生相應(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，完成整個(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)行了詳細(xì)的闡述，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通信功能。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)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(luò)化發(fā)展的速度。

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