宋華偉+戴曙光+楊得甫

摘 要：智能閥門控制系統(tǒng)逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械式閥門控制系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高控制器的控制性能，基于ARM架構(gòu)，研制了一款新型智能閥門控制器。介紹了該控制器的主要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)?？刂破鞑捎酶呔鹊木€性可調(diào)差接變壓器作為閥門位置傳感器，利用快速響應(yīng)的軟件編程技術(shù)，提高了智能閥門控制器的定位精度和響應(yīng)速度。測試表明，該儀器具有功耗低、可靠性高等優(yōu)點，對相關(guān)產(chǎn)品的研制有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：ARM；智能閥門控制器；人工交互；快速采集芯片

DOIDOI：10.11907/rjdk.171307

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0073-03

0 引言

隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，微電子技術(shù)和先進(jìn)算法逐步應(yīng)用于電動閥門控制中，閥門控制系統(tǒng)開始向智能化、高效化和精確化方向發(fā)展，設(shè)備安全性能[1-4]得到提高。

基于ARM設(shè)計的智能閥門控制器，采用自動檢測輸入輸出短路和斷路功能的硬件電路，軟件設(shè)計突出超快速響應(yīng)理念，整體采用優(yōu)化設(shè)計，大大縮短了響應(yīng)時間，降低了電路總功耗[5]。測試數(shù)據(jù)表明，從輸入指令變化到伺服電流的輸出變化時間小于20ms，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水準(zhǔn)。

1 控制器整體設(shè)計

新型智能閥門控制器系統(tǒng)由CPU模塊、電源、信號檢測（LVDT位移傳感器）、反饋（輸出電路短路和斷路檢測）、輸出驅(qū)動和人機(jī)交互（上位機(jī)與工作狀態(tài)燈）等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能閥門控制器通過人機(jī)交互模塊的上位機(jī)人工輸入閥門控制信號，通過信號檢測模塊的信號采樣電路得到直流或交流反饋輸入信號，經(jīng)A/D處理后進(jìn)入CUP模塊，經(jīng)過PI算法調(diào)節(jié)得到輸出信號，經(jīng)輸出驅(qū)動模塊給出伺服電流輸出，同時CPU模塊將采集到的閥門指示信號傳輸給上位機(jī)。

電源模塊采用外部供電，通過電源調(diào)理電路分別產(chǎn)生3.3V、5V、-15V和+15V等幾組電壓，供CPU、外設(shè)硬件電路及驅(qū)動電路使用。電源模塊采用綜合調(diào)制技術(shù)，不僅降低了靜態(tài)電流消耗，而且實現(xiàn)了輸出電流值根據(jù)負(fù)荷大小自動調(diào)整的功能[6-7]。

人機(jī)交互模塊包含上位機(jī)與LED指示燈，是實現(xiàn)人機(jī)信息和數(shù)據(jù)交互的窗口，可以完成變量和相關(guān)參數(shù)的初始值設(shè)置及實時顯示等功能。

2 硬件設(shè)計

智能閥門控制器的硬件電路由SVP通道卡和SVP_CPU卡組成，CPU卡提供電源接入、電源隔離與降壓及485通訊等功能。通道卡作為主要電路部分，提供主控芯片和各通道輸出輸入電路、程序燒寫接口、跳線選擇及狀態(tài)指示等功能。硬件電路原理如圖2所示。

各單元電路組成及功能如下：

（1）交直流反饋電路主要用于采集LVDT的閥門位置信號，分為六線制的交流電壓輸入信號和兩線制的直流電流輸入信號。其中采集到的交流電壓輸入信號比較微弱，要經(jīng)過整流、濾波以及補償之后才能送入CPU，為此設(shè)計了交流LVDT反饋調(diào)理電路來處理輸入信號。

交流LVDT反饋調(diào)理電路，將采集的交流輸入信號先經(jīng)過交流全波整流調(diào)理，然后添加+5V電平補償，把整流后的電壓控制在0～10V，再經(jīng)過比例縮小到0～2V，最后把縮小的電壓值差分進(jìn)AD芯片進(jìn)行信號采樣，由SPI通訊與CORTEX-M3交換數(shù)據(jù)。

（2）LVDT初級繞組必須由交流電壓供電。鐵磁性磁芯位置變化引起同名端反向串聯(lián)的2個次級繞組之間感應(yīng)電壓之差發(fā)生變化[8]，通過檢測電壓差就可以確定非鐵磁桿的移動量。為驅(qū)動LVDT正常工作，特別設(shè)計了六線制LVDT激勵產(chǎn)生電路。

六線制LVDT激勵產(chǎn)生電路由波形發(fā)生器芯片產(chǎn)出頻率為1KHZ的正弦波，經(jīng)過放大器芯片進(jìn)行功率放大，最后產(chǎn)生幅值為±9V的激勵電壓來帶動交流LVDT運行。

（3）伺服輸出電路用于輸出高電流驅(qū)動負(fù)載工作。首先由DA芯片產(chǎn)生輸出電壓，然后經(jīng)過調(diào)理電路處理轉(zhuǎn)為正負(fù)值電壓，最后經(jīng)運放調(diào)理電路用于驅(qū)動負(fù)載。伺服輸出電路中設(shè)有輸出關(guān)斷開關(guān)，可以在線路出現(xiàn)故障時快速關(guān)斷伺服輸出電流，起到保護(hù)驅(qū)動器的作用。

（4）交流反饋斷路和短路檢測電路用于檢測反饋信號的接線是否正常。該電路設(shè)計原理是將反饋電路兩端的信號進(jìn)行差分幅值運算，然后將運算結(jié)果與特定電壓比較（2V左右）。如果接線正常，信號到達(dá)光耦后必然有脈沖波形輸出；如果遇到電路短路或斷路則沒有脈沖輸出，以此判斷反饋電路的接線情況，這是該電路設(shè)計的難點。

（5）為了檢測伺服輸出電路接線是否正常，同樣也設(shè)計了伺服輸出電流斷路和短路檢測電路。該電路是把伺服輸出電路的接線端子兩端接入電路，經(jīng)過運放進(jìn)行比例縮小幅值，由電壓補償提高，最后進(jìn)入AD差分端電壓，用此電路可實時檢測接線端子的電壓差。將采樣電壓與正常電壓相比較，根據(jù)采樣信號超出或低于正常電壓來判別電路是處于斷路或短路狀態(tài)。

（6）針對控制器的運行安全問題，利用X5043器件做了開門狗處理，使控制器運行出現(xiàn)問題時單片機(jī)能夠及時復(fù)位，并且在第一時間采取輸出關(guān)斷處理[9]。

3 軟件設(shè)計

SUPMAX2000智能閥門控制器程序主要由系統(tǒng)軟件和上位機(jī)軟件組成。

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由管理模塊、控制模塊和通道模塊等幾部分組成。管理模塊主要完成系統(tǒng)監(jiān)控和初始化任務(wù)，同時還具有CPU、所用外設(shè)和外圍A/D、D/A芯片等設(shè)置和初始化、系統(tǒng)自檢以及卡件自校準(zhǔn)、卡件標(biāo)定等功能。控制模塊是軟件設(shè)計的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要完成數(shù)據(jù)采集與處理、伺服輸出等核心任務(wù)。通信軟件包括總線與通道板CPU之間遵循SPI協(xié)議的通信，以及CPU與片外EEROM芯片之間遵循I2C協(xié)議的串行數(shù)據(jù)通信，標(biāo)定模式下采用的UART通信等[10-12]。兩者都采用主從方式工作，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，既確保了數(shù)據(jù)的實時傳輸，又提高了CPU的工作效率。endprint

現(xiàn)場應(yīng)用要求控制器能調(diào)試、能正常使用，同時還需要調(diào)零調(diào)滿，有些裝置控制還要細(xì)調(diào)。為此，在主程序中設(shè)置了正常模式、調(diào)試模式、自校正模式、輸出細(xì)調(diào)模式。

主程序流程如圖3所示。

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)實現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定和通訊等功能。參數(shù)標(biāo)定是上位機(jī)軟件設(shè)計的重點，其工作原理是輸入或輸出的電流值通過串口通信發(fā)送給上位機(jī)，電流值經(jīng)過上位機(jī)算法標(biāo)定后下發(fā)給SVP卡，SVP卡接收到新的標(biāo)定參數(shù)后再次進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)如果已經(jīng)滿足精度要求則標(biāo)定結(jié)束，否則繼續(xù)上述過程。在重試一定次數(shù)后，當(dāng)參數(shù)的精度滿足要求時則標(biāo)定結(jié)束，否則認(rèn)定此SVP卡無法標(biāo)定。

控制器通過RS485與上位機(jī)實現(xiàn)通訊。通訊前需要對RS485通訊的端口號、波特率和停止位等進(jìn)行配置[13]。通訊時根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的不同指令實現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)的讀取、修改以及主程序運行模式的切換，并將控制器的狀態(tài)報警顯示在上位機(jī)界面上。上位機(jī)軟件流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

為滿足現(xiàn)場設(shè)備需求，加快系統(tǒng)運行速度，采用快速采集芯片AD7190，實測數(shù)據(jù)顯示采樣時間為2ms，加上控制器對參數(shù)的處理時間和電流輸出控制時間，從控制指令輸入到伺服輸出變化的系統(tǒng)響應(yīng)時間小于20ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先國內(nèi)水平。本產(chǎn)品與同類產(chǎn)品的響應(yīng)時間對比如表1所示。

為了節(jié)省硬件資源和控制器成本，對A/D配置進(jìn)行了靈活處理。設(shè)計過程中將不需要的通道暫時關(guān)閉，同時對時間要求不嚴(yán)格的通道，比如輸出接線檢測采用輪詢方式。在運行參數(shù)存入存儲器的過程中作了多次校驗處理，均沒有出現(xiàn)問題。

5 結(jié)語

智能化閥門控制器是現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)中的核心部件之一[14]，發(fā)展新型智能閥門控制器具有重要的戰(zhàn)略意義。

本文研發(fā)的智能閥門控制器屬于實用新型產(chǎn)品，具有優(yōu)良的超低功耗性能和很高的自檢測能力，其采用獨特的快速響應(yīng)設(shè)計，不僅提高了產(chǎn)品運行的可靠性，也降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品的市場競爭力，為推動國產(chǎn)新型智能閥門控制器產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃春英.新型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究與開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2002.

[2] 胡壽松.自動控制原理[M].第3版.北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[3] 陸會明.控制裝置與儀表[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] 郝仲鴻.淺談智能閥門定位器[C].第七屆中國石油和化工自動化技術(shù)年會論文集，2008.

[5] 蔡明，白雪蓮，章英.國產(chǎn)新型智能閥門定位器的設(shè)計[J].自動化儀表，2011，32（7）：73-79.

[6] 楊藝偉.基于ARM的電動閥門控制器研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2014.

[7] R BROWN.CortexTM-M3 （revisio：rlpl）technical reference manual[M].ARM Limited，2006.

[8] 馬敬敏.基于Multisim 10的RC橋式正弦波振蕩電路仿真分析[J].渤海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，33（4）：324-328.

[9] 梁海峰.智能閥門控制器的嵌入式設(shè)計與開發(fā)[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[10] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[11] 王威.智能PID控制方法的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J].自動化儀表，2008，29（10）：1-7.

[12] 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[13] 林惠.智能電氣閥門定位器的研究開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[14] PAUL SCHERZ.實用電子元器件與電路基礎(chǔ)[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.endprint