基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器設(shè)計

吳寧勝

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器設(shè)計

吳寧勝

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

閥門定位器是與氣動控制閥配套使用的現(xiàn)場儀表。為了提高定位器的控制性能，以AVR單片機為核心，設(shè)計了基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器。給出了詳細的原理框圖和軟硬件設(shè)計方案，研究了兩線制總線供電、低功耗設(shè)計、閥位控制算法、HART通信接口等技術(shù)問題。該設(shè)計實現(xiàn)了閥門定位器的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，具有廣闊的應(yīng)用前景，對相關(guān)產(chǎn)品的研制有重要的指導(dǎo)意義。

智能閥門定位器 總線供電 低功耗 PID控制 積分分離 HART協(xié)議

0 引言

閥門定位器是與氣動控制閥配套使用的現(xiàn)場儀表，用于實現(xiàn)溫度、流量、壓力等過程變量的控制，其廣泛應(yīng)用在石化、電力、冶金、輕紡等自動化行業(yè)[1]。傳統(tǒng)的閥門定位器是基于機械力平衡的儀表，存在精度低、調(diào)試難、故障率高、控制不靈活等諸多缺點。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用, 以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能閥門定位器能克服上述缺點，正逐步取代傳統(tǒng)閥門定位器[2]。

本文以AVR單片機為核心，設(shè)計了基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器。該定位器既可傳輸模擬信號，也可傳輸現(xiàn)場總線的數(shù)字信號，實現(xiàn)與控制中心的信息交互。該設(shè)計無需更改原有控制系統(tǒng)架構(gòu)與工程布線，可直接連接智能閥門定位器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制和管理，為工業(yè)4.0提供有效手段。同時，它采用總線供電，較好地解決了閥門定位器的本安防爆問題。

1 工作原理與總體設(shè)計

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器原理框圖如圖1所示[2-4]。

圖1 智能閥門定位器原理圖Fig.1 Schematic diagram of the intelligent valve positioner

圖1中，超低功耗電源電路將4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，為HART通信接口電路、控制信號取樣電路、MCU控制單元、I/P轉(zhuǎn)換單元、閥門位置檢測電路提供穩(wěn)定的工作電壓。控制信號取樣電路完成控制信號的采樣。人機交互模塊主要顯示控制閥的工作狀態(tài)和輸入工作參數(shù)。MCU 控制單元將閥門位置反饋電路檢測的閥位信號與控制信號取樣電路提供的設(shè)定值信號進行比較，對偏差信號進行一定的控制算法運算，包括流量特性的修正補償，運算輸出驅(qū)動I/P電氣轉(zhuǎn)換及放大單元工作，從而實現(xiàn)被控閥的動作。HART通信接口電路實現(xiàn)MCU控制單元與外界的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源電路

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器為二線制設(shè)計，與外部的連接只有兩條物理連線。4～20 mA電流信號既是給定的閥門位置目標控制信號，也是整個定位器硬件電路正常工作的電源[5]。因此，電源電路的設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the circuit of power supply

電源電路設(shè)計的關(guān)鍵是從4～20 mA模擬電流信號攝取合格的電源。4～20 mA電流信號經(jīng)過抗干擾濾波電路、線性穩(wěn)壓電路后產(chǎn)生低紋波系數(shù)的直流6.6 V電壓。線性穩(wěn)壓電路決定了定位器從控制信號攝取的最小功率為26.4 mW(6.6 V×4 mA)，最大功率為132 mW(6.6 V×20 mA)。因此，后續(xù)各單元電路的設(shè)計必須將低功耗作為首要考慮的因素?？紤]到定位器正常工作的電流為3.5 mA，單片機、閥門位置反饋、取樣電路和HART通信接口單元的供電均統(tǒng)一通過電荷泵(而非低壓差LDO模塊)，將6.6 V轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，最大限度地提高電源轉(zhuǎn)換效率。同時，6.6 V電壓通過DC-DC升壓電路升壓至24 V，為I/P電氣轉(zhuǎn)換單元供電[6]。

2.2 微控制器MCU單元及人機接口

根據(jù)電源電路部分的論述和設(shè)計，常用的MCU正常工作電流都在10 mA以上，無法滿足要求。因此，選擇超低功耗微控制器是本單元設(shè)計的關(guān)鍵。

需指出的是，本低功耗設(shè)計與電池供電系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計有較大區(qū)別。電池供電系統(tǒng)中低功耗設(shè)計的目的是實現(xiàn)電池的最長時間供電，設(shè)計依據(jù)是長期的功耗指標(或用平均功耗)，所以，關(guān)注點是微控制器在空閑和休眠模式時的最小工作電流。而智能閥門定位器是一個實時工作系統(tǒng)，低功耗設(shè)計的目的是保證微控制器正常工作電流不超過電源電路分配的最大值，設(shè)計依據(jù)是瞬時的正常功耗。本設(shè)計采用基于AVR內(nèi)核的8位低功耗控制器ATMEGA644PV。它具有多種低功耗模式；在1 MHz、1.8 V低電壓工作條件下，正常工作電流為0.4 mA，能很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

LCD液晶顯示和4個按鍵是定位器人機信息和數(shù)據(jù)交互的窗口，可以完成參數(shù)的初始值設(shè)置、數(shù)據(jù)組態(tài)及實時顯示等諸多功能。

2.3 控制信號取樣與閥門位置反饋電路

控制信號取樣電路如圖3所示。

圖3 控制信號取樣及放大電路圖Fig.3 Circuitry of the control signal sampling and amplification

本單元電路采用低端檢測法，串聯(lián)一個低溫漂特性(溫度系數(shù)25×10-6)的線性檢流電阻R1，攝取與控制信號具有近似線性關(guān)系的電壓。該電壓通過反向放大電路調(diào)理后，送入A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器進行采樣與數(shù)據(jù)處理。

圖3中，U1B為超低功耗滿擺幅運放，R11、R12為低溫漂精密電阻。這里R11、R12的取值不能過小，否則會造成不可忽略的取樣誤差。

閥門位置反饋電路的任務(wù)是閥門閥桿的實時位移檢測。本設(shè)計采用高精度線性電位器作為反饋主要部件，將閥門位置轉(zhuǎn)換為電位器的轉(zhuǎn)角，并輸出對應(yīng)的電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器。

2.4I/P轉(zhuǎn)換單元

I/P轉(zhuǎn)換單元的作用是將微控制器MCU輸出的電信號轉(zhuǎn)換成氣動信號，以驅(qū)動控制閥閥桿移動?；趬弘娦?yīng)的I/P轉(zhuǎn)換單元，只需提供足夠電壓便能正常工作，其電流幾乎為零，特別適合對功耗有嚴格要求場合的應(yīng)用。同時，它能接收較高頻率的控制信號，可直接對接微處理器中常見的PWM模塊，在智能電氣閥門定位器中得到了廣泛應(yīng)用[6]。本文設(shè)計的智能閥門定位器使用OEM廠家提供的壓電閥式I/P轉(zhuǎn)換模塊，極大地提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2.5 HART通信接口電路

HART協(xié)議用于現(xiàn)場智能儀表和主機設(shè)備之間的雙向通信。它是在4～20 mA模擬信號上疊加正弦調(diào)制信號，實現(xiàn)數(shù)字通信，數(shù)據(jù)率為1 200 bit/s。數(shù)字信號“1”調(diào)制成頻率為1 200 Hz的信號，“0”調(diào)制成2 200 Hz的信號。數(shù)字信號幅度為0.5 mA，平均值為0。只要在原有模擬信號電路上增加相應(yīng)濾波器，就不會對原有模擬信號產(chǎn)生干擾[7]。HART通信接口電路如圖4所示。

圖4 HART通信接口電路Fig.4 The HART communication interface circuit

HART通信接口電路主要由HART Modem、發(fā)送驅(qū)動和發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換等構(gòu)成。HART Modem內(nèi)部集成符合Bell202標準的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號整形電路、載波檢測等電路，簡化了接口電路設(shè)計，使系統(tǒng)更具可靠性。該芯片載波信號輸出功率有限，為此，本設(shè)計特別增加由運放U201構(gòu)成的載波發(fā)送驅(qū)動電路，較好地滿足了通信網(wǎng)絡(luò)低阻抗情況下的可靠通信。HART通信是一種半雙工通信模式，因此本設(shè)計還配置了發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換電路。HART Modem芯片需要460.8 kHz時鐘源，但460.8 kHz晶振是非標準的，不容易購買到。本設(shè)計中，設(shè)置微控制器的PWM模塊工作于CTC模式，經(jīng)軟件編程分頻即可得到460.8 kHz時鐘信號。該方法有很好的靈活性，降低了成本。

3 軟件設(shè)計

本文研制的智能閥門定位器程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由數(shù)據(jù)采集、控制、人機交互、通信和系統(tǒng)初始化等部分組成。數(shù)據(jù)采集程序完成控制電流與閥位的實時采樣、轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波等任務(wù)?？刂瞥绦蛑饕强刂扑惴ǖ木唧w實現(xiàn)。人機交互程序主要完成LCD顯示、用戶按鍵處理、故障分析與報警。通信程序完成HART通信協(xié)議的數(shù)據(jù)打包與解包、命令的解析等任務(wù)。系統(tǒng)初始化程序的任務(wù)是微處理器I/O與外圍芯片初始化、重要數(shù)據(jù)存儲與掉電保護設(shè)置等。軟件設(shè)計的核心與關(guān)鍵環(huán)節(jié)是控制程序與HART通信程序。

3.1 控制程序

不同規(guī)格的氣動控制閥，其特征參數(shù)差異較大，非線性和大滯后是其標志性的特點[8-9]。經(jīng)過多次試驗，本文選擇積分分離PID算法來取得較好的控制特性。本算法的基本思想是：根據(jù)設(shè)定值與反饋值的誤差e來確定執(zhí)行器膜頭進氣還是排氣。根據(jù)e的絕對值大小采用不同的控制策略。當(dāng)誤差e大于規(guī)定值時，微控制器切除積分項，PWM輸出脈寬較大，閥位快速向設(shè)定值靠近；當(dāng)誤差e小于規(guī)定值時，微控制器引入積分項，PWM輸出脈寬逐漸收窄，閥位緩慢接近設(shè)定值，直到誤差e低于設(shè)定死區(qū)，PWM不再輸出信號，閥門位置保持不變[10]。

為適應(yīng)應(yīng)用要求，還設(shè)置流量特性補償環(huán)節(jié)，用多段折線實現(xiàn)非線性補償。

3.2 HART協(xié)議通信程序

HART協(xié)議通信是一種半雙工通信模式，由主控設(shè)備(上位機)發(fā)通信請求，智能閥門定位器作為從機響應(yīng)。根據(jù)ISO的OSI參考模型，HART協(xié)議分物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層涉及硬件接口；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了波特率1 200 bit/s、1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇校驗位、1位停止位以及數(shù)據(jù)幀的格式與校驗等內(nèi)容；應(yīng)用層則對各種命令代碼作統(tǒng)一的規(guī)范。

依據(jù)HART協(xié)議的通信格式，可以計算出傳送一個字符的時間大約9 ms。如果采用延時等待連續(xù)發(fā)送的方式，一幀長數(shù)據(jù)就可能需要消耗0.5～1 s的CPU時間，控制的實時性無法保證。因此，HART協(xié)議通信程序設(shè)計的關(guān)鍵是每一個字節(jié)數(shù)據(jù)的收發(fā)都必須采用中斷方式實現(xiàn)。中斷程序流程圖如圖5所示。

圖5 HART收/發(fā)中斷程序流程圖Fig.5 Flowchart of HART Rx/Tx interrupt program

在接收中斷程序中，定位器對上位機數(shù)據(jù)幀進行識別和判斷，判斷依據(jù)是接收到的前導(dǎo)符0xFF個數(shù)以及字符間隔是否超時(超時，則觸發(fā)定時器溢出中斷，一幀數(shù)據(jù)接收完成)。發(fā)送中斷程序則是將已傳入發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)逐個發(fā)送。接收數(shù)據(jù)幀的解析及發(fā)送數(shù)據(jù)幀的打包在主程序中實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文以超低功耗AVR單片機ATMEGA644PV為核心，設(shè)計了基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器，實現(xiàn)了氣動閥門定位器的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。實際應(yīng)用表明, 該系統(tǒng)具有使用簡單、可靠性高、功能更加完善、適應(yīng)性好等特點。經(jīng)測試，系統(tǒng)定位精度可以達到閥門最大行程的±0.5%。

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Design of the Intelligent Valve Positioner Based on HART Protocol

Valve positioner is one of the field instruments supporting the use of pneumatic control valves. In order to enhance the control performance of the positioner, the intelligent valve positioner based on HART communication protocol has been designed with AVR single chip computer as the core. Detail schematic block diagram and design scheme of hardware and software are given. Several technical issues including two-wire bus power supply, low power consumption design, valve position control algorithm and HART communication interface, etc., are researched. The design realizes intellectualization, digitization and networking of the valve positioners; it possesses broad application prospects and important guiding significance for the development of related products.

Intelligent valve positioner Bus power supply Low power consumption PID control Integral separation HART protocol

浙江省教育廳科研基金資助項目(編號：Y201018912)。

TH863

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506025

修改稿收到日期：2015-01-09。

作者吳寧勝(1978-)，男，2004年畢業(yè)于桂林電子工業(yè)學(xué)院機械制造及其自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事機電技術(shù)、自動化控制、智能儀表等方面的研究。