智能电气阀门定位器的研制

1王化祥马敏肖素枝（天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）摘要本文详细阐述了基于MSP430单片机的智能阀门定位器软硬件设计，给出了HART协议通信的实现方法，提出了阀门定位器低功耗设计中应采取的软硬件技术措施。实际使用表明，该定位器的主要技术性能明显优于传统的阀门定位器，而且功能也得到扩展。关键词智能电气阀门定位器MSP430HART协议AbstractThispaperdescribesindetailsoftwareandhardwaredesignsoftheMSP40singlechipprocessorbasedintelligentvalvepositioner,givesimplementingmethodofHARTprotocolcommanication,andproposesthesoftwareandhardwaremeasuresforlowpowerconsumptiondesignoftwo-wirevalvepositioner.Thepracticalapplicationshowsthataremoreexcellent,comparedwithtraditionalvalvepositionersanditsfunctionsarealsoextensible.KeywordsintelligentvalvepositionerMSP430HARTprotocol0引言阀门定位器作为气动调节阀的主要附件，能改善阀门特性，提高控制的精度和速度，并可增加控制的灵活性。目前，国内广泛使用的定位器是采用模拟信号和力平衡原理生产的产品，随着生产过程控制的不断严格，对控制性能的要求越来越高，传统的定位器已经不能满足工业控制的需要。近年来，由于电子技术的快速发展，国外一些著名公司相继推出了基于现场总线的智能阀门定位器，实现了定位器的数字化、智能化、网络化，大大提高了阀门定位器的控制性能，满足了生产实际的需要，也代表了阀门定位器的主流发展方向[1]。鉴于此，我们在借鉴国外几家产品的基础上，研究开发了基于HART协议的智能电气阀门定位器。1工作原理基于HART协议的智能电气阀门定位器以微处理器为核心，采用电平衡（数字平衡）原理代替传统的力平衡原理，将电控指令转换为气动定位增量实现对阀位的精确控制，显著增强并扩展了定位器的功能，并实现了二线制供电以及与上位机的双向通信。智能阀门定位器由控制单元、电气转换I/P单元、阀位检测反馈单元等3部分组成，其原理如图1所示。来自调节器的4～20mA电流既是输入信号又作为电路的电源，与阀位反馈信号一同进入微处理器，通过比较运算，根据两者的偏差输出一控制信号到I/P转换单元，控制其气压的输出及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈到微处理器，形成闭环控制；LCD和键盘部，可实现人机交互，人工输入工作参数和命令，显示定位器的工作状态参数；HART通信部分实现与上位机的通信，可有选择地实现组态、调试、诊断和数据管理等功能，上位机可监测定位器的工作参数，并可发来命令。由于实现了数字化、智能化，定位器在初始化时可2根据输入参数自动确定执行器的零点、昀大行程、作用方向和定位速度，大大节省了投运时间。工作时，可根据阀门的机械性能变化自动修改控制参数，补偿阀门老化、磨损等误差。图1智能电气阀门定位器原理图2整机电路设计由于该定位器配置HART总线，采用两线制总线供电方式工作，其电路所需电源也由调节器输出的4～20mA电流提供，因此整个电路的功耗必须尽量低。要达此目的，必须选取尽量低的电路电源电压、选择较低时钟频率和合适的电路工作方式[2]。另外，I/P转换部分选用功耗非常低的压电陶瓷元件作为进气/排气阀门，以实现整个电路的低功耗。选取电路的电源电压为3V，而压电陶瓷阀门的控制电压为24V，这样就需由4～20mA电流产生3V和24V两个电源电压。用稳压二极管直接并在4～20mA信号输入端产生6V直流电压。以此6V电压为电源，采用电荷泵DC-DC变换电路产生3V电压给整个电路供电，用电感型DC-DC变换器产生24V电压控制压电陶瓷阀门[3,7]。智能型电气阀门定位器结构原理如图2所示。整个电路由单片机、键盘驱动、LCD显示、阀位反馈、I/P转换、HART通信等部分组成。2.1单片机及其外围电路为尽量降低功耗，提高整机性能，选用了工作电压低（3V）、所需外围扩展器件少、有多种工作模式可供选择、功能强大的MSP430F44X型单片机（TI公司生产）。这种单片机具有16位RISC结构，CPU中有16个寄存器和常数发生器使其能达到昀高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件消耗的功率达到昀低；具有16个中断源，可以任意嵌套，使用灵活方便；数字振荡器（DC）可使器件在少于6μs的时间内被低功耗模式迅速唤醒；多个常用的CPU外围模块集成在片内；8通道12位的A/D转换器，3个捕获比较器的16位定时器，2KBRAM内存和64KB的FlashMemory，2个串行通信口USART0/1。因此，MSP430F44X是一种功耗极低、功能强大、组成电路又很简单的单片机[4,5,6]。为降低功耗，需要使用较低的频率，但为了快速响应外部事件又需要较快的时钟，这就需要具有两个频率高低不同的时钟，而且在需要的时候能在两个频率之间切换。CPU之外选用低速、低功耗、频率又准确的LFXT1时钟源，使用频率为32.768HZ的晶振生成辅助时钟ACLK，能够满足一些低频率应用场合（如采样等）的要求；在CPU内部使用数字控制振荡器DCO（高速、低功耗、频率不准确）的锁频环技术（FLL），将ACLK倍频升高作为系统的主时钟MCLK，满足高速实时的需要。通过软件设计使系统在大部分时间内工作于低功耗模式3（CPU置位OFF，从而停止活动，MCLK的锁频环控制和MCLK停止工作，DCO和DC发生器关闭，但3ACLK信号仍保持活动，外围模块继续工作），主要控制功能靠片内的定时器中断唤醒。这样，既将功耗降至昀小，又能对系统硬件请求和事件作出快速反应，完全满足了应用的需要。1控制系统2带LCD和按键的控制主板3压电阀单元，双作用定位器4位置反馈模块5报警模块6无弹簧复位气动执行机构（双作用）7HART通信模块图2智能型电气阀门定位器结构原理图定位器要求单片机能够接收来自调节器控制阀门开度的4～20mA电流信号，为此，在6V电源电路前端串联一取样电阻，取样电阻上的电压反映设定信号电流的大小，此电压经单电源运算放大器放大后送入单片机P6.4脚进行采样。为了减少温漂对系统采样精度的影响，取样电阻选用热稳定性好的锰铜丝制作[3]。LCD显示和按键一起提供人机交互接口，显示器用于显示阀门定位器的各种状态信息，按键用于输入组态数据和手动操作。选用低功耗的4位8段液晶显示模块，并采用基于I2C总线的方式与单片机连接（单片机的P4.3-P4.6脚），以节省单片机的I/O端口；3个按键配合使用，可完成工作模式的设置、手动控制阀位、控制参数的设定。按键采用定时器中断方式工作，这样既提高了单片机的效率，又避免了延时消除抖动的过程。通过刚性连接的连杆与调节阀杆无间隙配合，从而把调节阀的行程转换为反馈电位器的转角，进而将电位器的转角转化为电压信号，经变压器隔离后再经电压/电流转换电路，昀后以电流信号形式接入单片机的P6.3脚，供单片机识别当前阀门的实际位置。反馈电位器装有球轴承和耐用的电阻薄片，连续转动也不会损坏，可长期可靠运行。2.2基于压电陶瓷阀门的I/P转换控制I/P转换部分的作用是将电信号转换成气动信号，通过放大喷嘴的背压和气体流量控制4推动调节阀。由于压电陶瓷阀门基于压电效应，其阻抗很高，功耗非常小，质量很轻，动作速度快，使用中几乎不磨损，所以非常适合在要求低功耗、长寿命、高可靠性的场合使用。该定位器是针对无弹簧复位气动执行机构，由于这种执行机构在膜头压力减小时无法自动回位而必须借助外部动力，因此设计了双气动系统，使用4个压电陶瓷阀门（都只有开通和关闭两种状态），由单片机的输出信号经驱动后加以控制，其工作原理与单气动系统（如图1所示）定位器相同。利用单片机的定时器A0、A1、B0、B1产生不同宽度的脉冲并经场效应管驱动后控制4个压电陶瓷阀门，使其开通或关闭以控制进入调节阀的压缩空气，使阀杆向上或向下移动，从而调整阀门的开度。2.3HART通信电路HART通信协议是从模拟量通信到数字量通信转变的一个过渡性协议。目前，它已成为一个事实上的工业标准。采用HART通信协议的智能仪表，执行机构等正被越来越多地应用于工业生产中。该协议规范物理层、数据链路层和应用层等3层结构。在物理层上使用FSK技术，在4～20mA模拟信号上叠加一个均值为0的频率信号，以不同频率的交流信号代替数字信号的“0”和“1”，使得数字量和模拟量一起传输而互不干扰。数据链路层规定了数据通信的格式。在应用层，以各种HART命令来完成各项功能。通信介质的选择视传输距离长短而定，通常采用双绞线作为传输介质，昀大传输距离可达1500m，完全能满足工业生产过程控制的需要。芯片HT2015是SMAR公司专为实现HART协议而设计的低功耗调制解调器。它由时钟模块、调制器模块、解调器模块、载波检测模块等4个功能模块组成，其结构原理框图如图3所示。图3HT2015结构原理图调制器将收到的数字信号调制成FSK信号，波形整形电路是为了使调制后的信号波形满足物理层规范的波形上升沿/下降沿的要求，以降低与其它网络的串扰。解调器将接收到的FSK信号解调为数字信号送入单片机，带通滤波器的带宽为950～2500Hz，主要用来消除接收信号的噪声干扰。载波检测用来检测通过总线传来的FSK信号。时钟电路产生工作时所需要的时钟信号。该芯片包含几乎所有在4～20mA模拟现场仪表上叠加HART通信协议所需要的电路,只需外接少量元件即可构成实现HART协议的完整电路。在应用中，它主要在半双工状态对数字信号和数字方波频率信号进行调制解调[8，9]。单片机MSP430F44X与HT2015的接口电路如图4所示。5图4MSP430F44X与HT2015接口电路图单片机通过其串行通信端口TXD、RXD与HT2015芯片的串行通信端口ITXD、ORXD进行数据通信。单片机的P3.2、P3.3脚分别与HT2015的OCD、INRTS端相连。INRTS脚是HT2015的工作方式控制端，OCD脚是载波信号检测端。当P3.3输出为“0”时，调制器工作，解调器关闭。调制器模块接收由单片机传到ITXD端的数字信号，生成FSK调制信号由OTXA端输出。当ITXD脚为高电平“1”时，OTXA引脚输出1200HZ梯形波。反之，OTXA引脚输出2200HZ的梯形波。OTXA输出通常需要和缓冲放大器进行交流耦合，经放大整形后传送出去。当P3.3为高电平“1”时，解调器工作，调制器关闭，接收到的FSK信号经片内的带通滤波器滤波后，解调器解调出数字信号，由HT2015的ORXD端送给单片机进行处理。单片机的P3.2脚负责检测外部信号，当HT2015的OXTA端有载波信号时，OCD端就输出“1”，单片机可由此判断HART协议总线繁忙与否。HT2015芯片正常工作需要460.8KHZ的时钟信号，可在引脚OXTL和IXTL间接一个晶振实现或者选用1.8432MHZ的晶振，通过单片机的四分频得到，由外部时钟端OXTL引入。该芯片要求一个偏置电流电阻连接OCBIAS和VSS端，其偏量电流控制内部运算放大器和比较器的参数，偏流电阻的阻值由要求设置的IAREF端的电压（1.235ν）决定，此处选取偏流电阻为500kΩ。3系统程序设计智能电气阀门定位器的系统程序由控制、管理及通信等3部分组成，主程序流程图如图5所示。控制程序的主要任务是完成对过程变量的采样、数据处理及根据控制算法和控制方式进行计算，并输出控制信号。管理程序主要完成LCD显示及管理、处理用户按键中断，事故报警，对重要数据进行掉电保护，对系统进行自诊断等。通信程序完成HART通信协议的数据链路层和应用协议规范所