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当前位置：上海前泽阀门有限公司 - 新闻中心
- 公司新闻基于HART协议的二线制智能阀门定位器笔者研制的基于HART协议的智能阀门定位器在兼容原有模拟信号传输的基础上，增加了与上位机和现场设备的通信功能。通过上位机(或手操器)可远程设定、修改零点、量程，以及完成自诊断功能等，大大方便了定位器的组态和维护，同时仪表实现了二线制阀门定位器的智能化设计。 1 智能阀门定位器系统硬件原理 智能型电－气阀门定位器用于控制气动直行程或角行程执行器，以实现阀门的准确定位。基于HART协议的定位器接收来自过程调节器输出的阀位给定信号实现阀门的准确定位。 HART智能阀门定位器即在智能定位器电路基础上增加了通讯模块。微处理器完成智能定位器的各种处理功能，以及与通讯电路的信号传输。HART二线制智能阀门定位器系统硬件设计主要由3个模块组成：电源变换模块、CPU模块和HART通信模块。由于系统(包括压电陶瓷阀)的驱动主要通过4～20mA信号电流提供电源，因此设计的关键是如何降低系统的功耗，而且能满足所有模块供电的要求，其原理框图如图1所示。
1.1 电源变换模块 电气阀门定位器的输入为4～20mA的电流信号，为此首先精心设计了电源变换单元，将输入的电流变换成3.3 V和24V两组电压，分别供给单片机和压电陶瓷阀。电源模块的成功与否以及转换效率的高低，直接关系到整个系统能否正常工作。 目前常用的DC－DC变换器主要有线性稳压器、电感型开关模式DC－DC变换器和电容电荷泵DC－DC变换器。3种电源转换器中，线性稳压器简单、纹波低和无电磁干扰辐射(EMI)，但效率低且输出电压一般低于输入电压；开关电源效率高、比较灵活，能够提供升压、降压以及极性相反的输出，保证低纹波、EMI和低噪声的关键在于电路设计；电荷泵同样可提供升压、降压、极性相反的输出，效率较高，外接电路简单，低EMI和低纹波，但其输出电流有限。设计时采用3者优化的电源设计方案：利用齐纳二极管能有效箝位电压、吸收电流的特性，产生6V电源并同时吸收多余的电流；利用电荷泵从6 V电压变换为3V电源；而开关电源是转换比Vout／Vin较高的理想选择，所以选用电感型开关模式DC－DC变换器实现24 V电源。 1.2 CPU模块 由于低功耗是设计的重点，因此，选用美国TI公司最新推出的16位超低功耗单片机MSP430F449。它具有16位RISC结构，灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。以多种工作模式实现低功耗，并且一个中断事件可将系统从各种工作模式中迅速唤醒，从待机到唤醒的响应时间不超过6μs。由于片内包含多种功能模块(如锁频环路、定时器、看门狗、比较器、液晶驱动电路和输入输出端口等)，它给单片机的低功耗设计提供了强有力的支持。 设计选用的MSP430F449自带60kB的FLASH存储器，2kB的RAM和WDT功能。这样设计印制板可省去EPROM和WatchDog芯片，大大降低了系统的功耗。 1.3 HART通信模块 HART通信模块完成执行器和上位机的通讯，关键元件是调制解调MODEM，MODEM必须符合HART协议的物理层标准。它一端与CPU进行双向串行数字通讯，一端与信号调理电路相连，输入／输出符合HART协议信号标准的信号。HART通讯模块检测到叠加在4～20mA环路上的FSK频移键控信号后，由MODEM将1 200 Hz信号解调为“1”，2 200Hz信号解调为“0”，供CPU处理。同样CPU送出的数字信号由MODEM调制成相应的1 200 Hz和2 200Hz的FSK频移键控信号，叠加在环路上发出。 1.3.1 通信芯片 以往基于HART协议的智能阀门定位器一般都是通过HT2012MODEM集成电路实现HART信号的调制与解调过程。而系统的设计选用的是SMAR公司最新推出的低功耗HT3012实现HART通信。HT3012不仅具备HT2012的全部功能，并且在此基础上集成了D/A转换器、浮点协处理器以及LCD驱动芯片。所以HT3012具有集成度高、性能好、功耗低、设计简单、开发周期短等优点。 1.3.2 HT3012主要功能模块 (1)D/A转换模块 HT3012内部集成了一个15位D/A转换器，其精度0.5μA/bit。首先数字信号进入DAV寄存器中，经D/A转换模块处理，将其转换结果由PW(2)、PW(1)、PW(0)经叠加后输出到电流环路中，由电流环路送到控制中心。 (2)调制解调模块 HT3012一方面与CPU的异步串行通信口进行串行通信，另一方面将输入的不归零制的数字信号调制成1 200 Hz和2 200Hz的FSK频移键控信号，或将回路信号经带通滤波、放大整形后取出FSK信号，并将其解调为数字信号，从而实现HART通信。 HT3012实现了用户在微处理器与模拟控制过程回路之间的HART调制与解调过程。
HART智能阀门定位器的软件可分为两大部分：测控软件和通信软件。测控软件包括：A/D采样程序、非线性补偿程序等。HART通信软件实质是HART协议的数据链路层和应用层的软件实现。HART智能阀门定位器的通信程序采用串行口中断方式进行数据的接收和发送。 2.1 测量模块
测量模块包括A/D采样程序、量程转换程序、补偿程序等，其中A/D采样程序采取定时中断采样，以保证数据采集、处理的实时性。 系统软件主程序如图2所示。微控制器上电复位后，系统首先进行初始化操作，如中断的设置，端口的分配。主程序主要由以下几个部分构成：数据采集子程序、按键中断子程序、液晶显示子程序。在主循环中，通过按键进行各模式之间的切换，执行相应的动作和控制策略，显示输入、阀门开度等参数。
2.2 HART通信程序 HART通信程序系HART协议数据链路层和应用层的软件实现，HART通讯采取主从方式。只有在主机询问时才应答，通信程序采用串行口接收/发送，一般由主机先发送命令帧，由串行口中断接收命令帧后，由CPU作出相应的数据处理，然后把要发送的应答帧置入发送缓冲区，由CPU触发发送中断发回应答帧，从而完成一次命令的交换。接收数据时，若检测到数据有错，则待主机命令帧发送完后，发出置有相应错误状态位的应答帧，通知主机数据接收有误，主机接收该应答帧后，则重发命令帧，从而保证通信的准确无误，基本的串行中断程序框图如图3所示。
3 低功耗的设计 3.1 低功耗系统硬件实现措施 (1)存储器的低功耗方式 因存储器实际读写时间很短，大约只有几百ns～几ms，而电流较大，因此，当存储器不工作时，就使其处于待机工作方式，降低功耗。设计中MSP430F449内带Flash存储器，可以减少外接EEPROM所带来的电流消耗。 (2)降低工作电压及工作频率 为了降低单片机系统的功耗，必须降低其供电电源，并且在保证满足响应速度要求条件下使系统的平均时钟频率降低。设计选用超低功耗的单片机MSP430F449，在3V供电下可稳定工作，达到降低功耗的目的，并且内部集成了高速系统主时钟、辅助时钟、子系统时钟，且能根据需要按一定比例降低CPU主时钟频率。根据不同的运算速度要求，由软件改变CPU的时钟频率或进行主、辅时钟的切换，最大限度地降低功耗。使用锁相环技术和内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟频率。由于系统对实时性要求不严格，所以主要操作模块均采用低频振荡器产生的ACLK＝32kHz作为时钟源。 (3)选用LCD液晶显示 系统选用的LCM046具有较小的尺寸，功耗很低，仅耗电40μA，且功能强大。所以，系统设计时，没有利用MSP430单片机内置的液晶驱动模块，而采用基于I2C总线的连接方式。 (4)电路设计 电路设计上，尽量减少不必要的功率消耗，提高各部分的供电效率；选用低功耗或微功耗器件。MCU采用MSP430F449超低功耗单片机，HARTMODEM选用HT3012。运算放大器、线性稳压器、DC/DC转换器等均为低功耗或微功耗器件；选择低泄漏电流的稳压二极管、本安保护二极管，以减少泄放电流。 3.2低功耗系统的软件分析 (1)单片机系统中，CPU的运行时间对系统功耗影响较大，故应尽可能缩短CPU的工作时间，一般使其处于低功耗模式下工作，通过中断唤醒CPU，使其在尽可能短的时间完成对信息或数据的处理。 (2)通信时，若通信的数据量较大，应提高传输的波特率，缩短通信时间。采用高效率的编码方式，发送和接收时无需循环等待，采用外部中断处理。 (3)为了充分降低功耗，LCD不工作时将其关闭。可以利用按键中断，在组态时同时接通LCD，显示组态过程和运行参数，当一段时间内，系统未检测到有按键操作，将其关闭，减少电流消耗。 4 结束语 基于HART协议的智能阀门定位器完全达到HART协议技术规范要求，它可与任何符合HART协议的手操器或控制系统互连，在设计中充分利用了智能阀门定位器能够进行双向数字通讯的优点和内部微处理器的强大计算功能。通过上位机或手操器，实现远程设定零点、量程等，由软件完成补偿功能。该定位器可就地完成零点、量程设置，可与上位机连接成点对点方式，也可以连接成多点模式操作。 参考文献 [1] 邵贝贝，王暹辉.低功耗二线制设计在电气阀门定位器中的实现[J].测控技术2000，19(10)：47-49． 【声明】： 以上文章或资料除注明为上海前泽阀门有限公司自创或编辑整理外，均为各方收集或网友推荐所得。其中摘录的内容以共享、研究为目的，不存在任何商业考虑。 目前网站上有些文章未注明作者或出处，甚至标注错误，此类情况出现并非不尊重作者及出处网站，而是因为有些资料来源的不规范。如果有了解作者或出处的原作者或网友，请告知，本网站将立即更正注明，并向作者道歉。 被摘录的对象如有任何异议，请与本站联系，联系邮箱：swkfamen@163.com，本站确认后将立即撤下。谢谢您的支持与理解！ |
| 发布时间：2011-08-10 来源地：http://www.86fm.net |
