基于SPI驅(qū)動(dòng)的智能調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)研究

潘宇軒 董全林 張玉蓮 張春熹

摘 ?要： 針對(duì)工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥口開(kāi)度的控制要求，研究一種帶有SPI驅(qū)動(dòng)顯示的基于 MSP430單片機(jī)的智能閥位開(kāi)度控制系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)部分由MSP430驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、后端PWM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)中斷使CPU進(jìn)入低功耗模式，降低系統(tǒng)功耗，提高工作效率。經(jīng)測(cè)試表明，與傳統(tǒng)的力平衡原理閥位調(diào)控裝置相比，該系統(tǒng)具有數(shù)字化、智能化、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 閥門(mén)定位器; MSP430單片機(jī); SPI; 調(diào)節(jié)閥; 開(kāi)度控制; PWM驅(qū)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN876?34; TP273 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0001?04

Abstract： In view of the valve opening control requirement of the pneumatic regulating valve in industrial process control field， an MSP430 SCM based intelligent valve position opening control system with SPI drive display is studied. The hardware system is composed of MSP430 drive circuit， sampling circuit， back?end PWM drive， and peripheral functional chip. In the software system， the modular design idea is adopted and the CPU enters low power consumption mode by means of interruption to reduce power consumption of the system and improve work efficiency. The test results show that the system has the characteristics of digitalization， intelligence and fast response in comparison with the traditional valve position regulation and control device applying the force balance principle.

Keywords： valve positioner; MSP430 SCM; SPI; regulating valve; opening control; PWM drive

調(diào)節(jié)閥作為一種可以自由調(diào)節(jié)閥口開(kāi)度的流量控制設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制藥、石油、化工領(lǐng)域。在閥門(mén)控制部件中，閥門(mén)定位器扮演著重要作用，借助其能夠優(yōu)化閥門(mén)的動(dòng)靜態(tài)的特性，幫助改善介質(zhì)的不平衡力以及來(lái)自填料的摩擦力，由此使控制精度更高，具備很好的靈活性[1]。伴隨嵌入式控制技術(shù)的進(jìn)步，閥門(mén)開(kāi)度控制設(shè)備便逐漸依靠單片機(jī)、DSP等微控制器的嵌入實(shí)現(xiàn)智能控制[2]。發(fā)展到現(xiàn)今，曾經(jīng)基于力平衡機(jī)構(gòu)的機(jī)械式閥門(mén)定位器已經(jīng)被更加數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能閥門(mén)定位器取代。在我國(guó)，過(guò)程控制應(yīng)用中所采用的智能閥門(mén)定位器（及其他類(lèi)似智能儀表）多以美國(guó)、日本、德國(guó)等海外大型集團(tuán)的產(chǎn)品為主，中國(guó)針對(duì)定位器的研究由于起步較晚，技術(shù)不成熟，工藝不完善，與國(guó)際水平還有差距。本文研究的基于MSP430系列單片機(jī)具有SPI驅(qū)動(dòng)顯示功能的智能閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)。其同時(shí)具有調(diào)節(jié)閥自診斷功能和多種流量模式，并能夠精確采集開(kāi)度反饋信號(hào)同輸入過(guò)程中設(shè)定的信號(hào)，對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，借助閥位控制算法便可以確保調(diào)節(jié)閥能夠迅捷高效地發(fā)現(xiàn)定值信號(hào)的改變狀況，從而精確的定位。

1 ?智能控制原理

控制器實(shí)現(xiàn)定位控制的工作機(jī)理如圖1所示。在控制系統(tǒng)MCU控制電路中，其中央處理單元能夠吸收外部所給予的兩個(gè)方面的信號(hào)，將閥門(mén)設(shè)定值信號(hào)同相關(guān)傳感器探測(cè)到的開(kāi)度反饋值信號(hào)展開(kāi)對(duì)比，如果位置發(fā)生變化，單片機(jī)便能依據(jù)其內(nèi)部算法展開(kāi)運(yùn)算，從而發(fā)出一個(gè)占空比的PWM電控信號(hào)給電磁閥。在圖1中，能夠發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)三通電磁閥，借助該電磁閥能夠完成對(duì)氣缸的控制。I/P 轉(zhuǎn)換單元能夠把PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為適宜的氣動(dòng)信號(hào)，因此氣缸機(jī)構(gòu)便能實(shí)現(xiàn)運(yùn)用，閥桿開(kāi)始上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和行程，確保其能夠迅捷地運(yùn)行到指定的位置。

在文章中，筆者所探究的閥門(mén)開(kāi)度控制系統(tǒng)需要達(dá)到如下性能要求：

1） 能夠?qū)⒔邮盏降?～20 mA電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)互相對(duì)應(yīng)的0～5 V的電壓信號(hào)，可以收集位移傳感器反饋的電壓信號(hào)。

2） 分析處理接收到的信號(hào)，展開(kāi)一定的預(yù)算且能對(duì)控制算法進(jìn)行一定的判斷，使其向外輸出寬度一定的信號(hào)來(lái)完成電磁閥的控制（I/P轉(zhuǎn)換模塊的元件）。

3） 運(yùn)用鍵盤(pán)，可以對(duì)閥門(mén)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定以及調(diào)節(jié)等。

4） 運(yùn)用SPI驅(qū)動(dòng)LCD顯示，從而確保能夠顯示出輸入、閥門(mén)開(kāi)度和自診斷過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)。

5） 具備斷電保存、電流檢測(cè)、電源電壓監(jiān)測(cè)、看門(mén)狗等功能。

2 ?系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖2為本文系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，在圖中能夠發(fā)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)涵蓋很多模塊，分別是最小系統(tǒng)電路、位移反饋單元、電源、E2PROM、模擬量輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示、D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換等板塊。下面將詳細(xì)地分模塊逐一闡述。

2.1 ?主控芯片與最小系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心是微控制器，本文在TI公司的MSP430F5系列單片機(jī)中進(jìn)行篩選，最終確定MCU采用型號(hào)是MSP430F5438A的單片機(jī)。此芯片本身為16位的低功耗單片機(jī)，其包括4個(gè)分區(qū)，內(nèi)存一共為256 kB，同時(shí)SRAM部分存儲(chǔ)空間為16 kB。在晶振頻率方面，該系統(tǒng)的頻率最高時(shí)達(dá)到25 MHz，SMCLK作為高頻外設(shè)定時(shí)器，內(nèi)部自帶16個(gè)特殊功能引腳作為8組12位ADC，還具備SPI/I2C等通信接口以及JTAG調(diào)試功能。其功耗低，嵌入硬件多樣，性能可靠易上手，完全符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

MCU的主要任務(wù)包括：

1） 對(duì)位移反饋值進(jìn)行處理，并與輸入設(shè)定值展開(kāi)對(duì)比，由此找出相關(guān)偏差;

2） 參照偏差值從而展開(kāi)算法運(yùn)算，最后向外界輸出特點(diǎn)PWM信號(hào)，進(jìn)而控制I/P轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行調(diào)整;

3） 通過(guò)SPI驅(qū)動(dòng)12864LCD顯示當(dāng)前閥門(mén)狀態(tài);

4） 基于定位器原理進(jìn)行閥門(mén)自診斷。

2.2 ?電源及其監(jiān)控

該模塊至關(guān)重要，系統(tǒng)用電均通過(guò)此模塊提供，選用外部24 V（允許10%的上下浮動(dòng)）直流電源供電。通過(guò)如圖3所示的24 V穩(wěn)壓及DC?DC轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為5 V供電電壓，再經(jīng)過(guò)LDO轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓供MSP430取用。24 V穩(wěn)壓及DC?DC轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

該控制系統(tǒng)中所需的供電電壓主要有：24 V，5 V 和 3.3 V。24 V電源輸入后先經(jīng)過(guò)24S24穩(wěn)定電壓之后再運(yùn)用圖3顯示的3 A電流輸出穩(wěn)壓芯片LM2576，該芯片內(nèi)部具有穩(wěn)壓器一級(jí)保護(hù)電路，僅用很少的外圍器件便能完成搭建，減少布線(xiàn)難度。采用芯片LM1117進(jìn)行5 V到3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換，電壓穩(wěn)定。

除此之外，想提升系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾性[3]，便必須監(jiān)測(cè)兩個(gè)關(guān)鍵電源5 V以及3.3 V，選用閾值為2.93 V的MAX706S芯片，該芯片具備性能穩(wěn)定、功能好，同時(shí)嵌入有看門(mén)狗功能等，能夠確保即使系統(tǒng)死機(jī)或者程序丟失，還能實(shí)現(xiàn)可靠復(fù)位。

2.3 ?輸入與反饋信號(hào)的采集

4～20 mA模擬電流信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)器傳送到信號(hào)采樣電路，經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)化成0～100%的開(kāi)度設(shè)定值，利用高端電流檢測(cè)法在采樣電路中對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將處理后的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)。位移傳感器中也同樣利用電流檢測(cè)法，在驅(qū)動(dòng)電路的位置反饋單元中將閥門(mén)的感應(yīng)信號(hào)作為該位置的電壓值，因此可以通過(guò)一個(gè)OPA芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)定值和反饋值采樣，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。位移傳感器變阻式行程為15 mm。兩路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)MSP430內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采樣后，單片機(jī)獲得數(shù)字信號(hào)，用單片機(jī)傳遞到處理模塊中。

2.4 ?電氣轉(zhuǎn)換單元及其驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)中的電氣轉(zhuǎn)換單元主要作用是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)傳遞出來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換，即將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出反應(yīng)。電氣轉(zhuǎn)換單元是氣動(dòng)執(zhí)行器的前沿部分，但是實(shí)現(xiàn)其功能需要結(jié)合噴嘴擋板技術(shù)、壓電閥技術(shù)、電磁閥技術(shù)這三種技術(shù)[4] 。

電氣轉(zhuǎn)換模塊采用如圖4所示的兩個(gè)一組直動(dòng)型兩位三通電磁閥及組裝的氣路底座構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)電路部分發(fā)出具有特點(diǎn)占空比的PWM信號(hào)，經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換，控制電磁閥在多個(gè)PWM周期內(nèi)對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)氣（排氣）帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥桿和連接在閥桿上的位移傳感器運(yùn)動(dòng)，改變位移反饋值，反饋至微處理器與輸設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，經(jīng)處理后單片機(jī)給出一個(gè)新的控制量。

本文使用兩位三通電磁閥，直動(dòng)型電磁閥具有體形輕巧、功耗低、響應(yīng)迅速（20 Hz）等優(yōu)點(diǎn)。電磁閥在工作時(shí)主要是利用閥芯和閥體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)使氣閥執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，即完成氣閥的開(kāi)關(guān)和變換方向[5?8]。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用三通電磁閥，它的工作電流較大，需要利用光電耦合器驅(qū)動(dòng)三極管，作為電磁閥驅(qū)動(dòng)電路。

? ? ? 3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，主要需要設(shè)計(jì)的是系統(tǒng)的處理程序、算法程序以及系統(tǒng)的顯示驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)中的中斷請(qǐng)求采用的是CPU的低功耗模式，中斷的方式主要是定時(shí)中斷、自帶中斷和I/O口中斷。軟件的總體規(guī)劃圖如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行上電復(fù)位操作后，先對(duì)看門(mén)狗進(jìn)行設(shè)置;然后進(jìn)行時(shí)鐘，I/O口，SPI等初始化操作;利用程序：

void Send_byte（unsigned char dat）

{ UCB1TXBUF = dat;

while （?。║CB1IFG&UCTXIFG））; ? }

進(jìn)行SPI數(shù)值的發(fā)送與裝填，初始化SPI時(shí)需要注意時(shí)鐘選擇高頻外設(shè)SMCLK。

這時(shí)需要通過(guò)控制算法程序?qū)Σ蓸舆M(jìn)行處理，同時(shí)執(zhí)行按鍵中斷和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等操作，然后在系統(tǒng)的顯示器中顯示相關(guān)的輸入/輸出值。利用所選單片機(jī)自帶的ADC12中的相關(guān)功能，采集系統(tǒng)中的設(shè)定值和反饋值。但是需要利用數(shù)據(jù)濾波器來(lái)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，才能保證采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。當(dāng)前常用的濾波方法包括中位值濾波法和算術(shù)平均濾波法等。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用中位值濾波法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，然后將過(guò)濾后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到寄存器中，最后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用冒泡排序法排除數(shù)據(jù)中的相關(guān)干擾，對(duì)剩下的數(shù)據(jù)計(jì)算中值，從而得到返回值。在系統(tǒng)的控制算法中，采用開(kāi)度控算法，然后結(jié)合PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)氣動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行計(jì)算。氣動(dòng)閥門(mén)是一個(gè)非線(xiàn)性的時(shí)變系統(tǒng)，它的數(shù)學(xué)模型的建立相當(dāng)困難，但是采用開(kāi)度控制算法就很好地避開(kāi)了時(shí)變系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難建立的缺點(diǎn)，開(kāi)度控制算法在非線(xiàn)性系統(tǒng)中的應(yīng)用較多[9?10]。在當(dāng)代工業(yè)控制領(lǐng)域中，PID控制有著較為廣泛的運(yùn)用，但是它也有自身的缺陷。因此，在本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合PID控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，提高了控制精度。

4 ?閥位控制系統(tǒng)的調(diào)試

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到的閥門(mén)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)平臺(tái)如圖6所示。該平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)儀器主要有萬(wàn)能表、直流電源、示波器、仿真器等。

系統(tǒng)中控制硬件有電路板，電路板上分別為模擬電路部分和數(shù)字電路部分，外接 LCD 模組和鍵盤(pán)。系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為IAR EW，以C語(yǔ)言編程。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文研究了具有SPI驅(qū)動(dòng)顯示功能的閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)該顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精心設(shè)計(jì)和詳細(xì)描述，得到一個(gè)比較滿(mǎn)意的結(jié)果。在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以對(duì)閥門(mén)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，系統(tǒng)中的控制算法能夠準(zhǔn)確地計(jì)算采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)中的顯示模塊能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地顯示系統(tǒng)的控制狀態(tài)。該系統(tǒng)性能可靠，功耗較低，在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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