基于HART協(xié)議的二線制智能閥門(mén)定位器

   筆者研制的基于HART協(xié)議的智能閥門(mén)定位器在兼容原有模擬信號(hào)傳輸?shù)幕�礎(chǔ)上，增加了與上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信功能。通過(guò)上位機(jī)(或手操器)可遠(yuǎn)程設(shè)定、修改零點(diǎn)、量程，以及完成自診斷功能等，大大方便了定位器的組態(tài)和維護(hù)，同時(shí)儀表實(shí)現(xiàn)了二線制閥門(mén)定位器的智能化設(shè)計(jì)。��

    1 智能閥門(mén)定位器系統(tǒng)硬件原理

   智能型電－氣閥門(mén)定位器用于控制氣動(dòng)直行程或角行程執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的準(zhǔn)確定位�；�于HART協(xié)議的定位器接收來(lái)自過(guò)程調(diào)節(jié)器輸出的閥位給定信號(hào)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的準(zhǔn)確定位。

   HART智能閥門(mén)定位器即在智能定位器電路基礎(chǔ)上增加了通訊模塊。微處理器完成智能定位器的各種處理功能，以及與通訊電路的信號(hào)傳輸。HART二線制智能閥門(mén)定位器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由3個(gè)模塊組成：電源變換模塊、CPU模塊和HART通信模塊。由于系統(tǒng)(包括壓電陶瓷閥)的驅(qū)動(dòng)主要通過(guò)4～20mA信號(hào)電流提供電源，因此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何降低系統(tǒng)的功耗，而且能滿足所有模塊供電的要求，其原理框圖如圖1所示。

    1.1 電源變換模塊

    電氣閥門(mén)定位器的輸入為4～20mA的電流信號(hào)，為此首先精心設(shè)計(jì)了電源變換單元，將輸入的電流變換成3.3 V和24V兩組電壓，分別供給單片機(jī)和壓電陶瓷閥。電源模塊的成功與否以及轉(zhuǎn)換效率的高低，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作。

    目前常用的DC－DC變換器主要有線性穩(wěn)壓器、電感型開(kāi)關(guān)模式DC－DC變換器和電容電荷泵DC－DC變換器。3種電源轉(zhuǎn)換器中，線性穩(wěn)壓器簡(jiǎn)單、紋波低和無(wú)電磁干擾輻射(EMI)，但效率低且輸出電壓一般低于輸入電壓；開(kāi)關(guān)電源效率高、比較靈活，能夠提供升壓、降壓以及極性相反的輸出，保證低紋波、EMI和低噪聲的關(guān)鍵在于電路設(shè)計(jì)；電荷泵同樣可提供升壓、降壓、極性相反的輸出，效率較高，外接電路簡(jiǎn)單，低EMI和低紋波，但其輸出電流有限。設(shè)計(jì)時(shí)采用3者優(yōu)化的電源設(shè)計(jì)方案：利用齊納二極管能有效箝位電壓、吸收電流的特性，產(chǎn)生6V電源并同時(shí)吸收多余的電流；利用電荷泵從6 V電壓變換為3V電源；而開(kāi)關(guān)電源是轉(zhuǎn)換比Vout／Vin較高的理想選擇，所以選用電感型開(kāi)關(guān)模式DC－DC變換器實(shí)現(xiàn)24 V電源。

    1.2 CPU模塊

   由于低功耗是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因此，選用美國(guó)TI公司最新推出的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F449。它具有16位RISC結(jié)構(gòu)，靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗。以多種工作模式實(shí)現(xiàn)低功耗，并且一個(gè)中斷事件可將系統(tǒng)從各種工作模式中迅速喚醒，從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)6μs。由于片內(nèi)包含多種功能模塊(如鎖頻環(huán)路、定時(shí)器、看門(mén)狗、比較器、液晶驅(qū)動(dòng)電路和輸入輸出端口等)，它給單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。

   設(shè)計(jì)選用的MSP430F449自帶60kB的FLASH存儲(chǔ)器，2kB的RAM和WDT功能。這樣設(shè)計(jì)印制板可省去EPROM和WatchDog芯片，大大降低了系統(tǒng)的功耗。

    1.3 HART通信模塊

    HART通信模塊完成執(zhí)行器和上位機(jī)的通訊，關(guān)鍵元件是調(diào)制解調(diào)MODEM，MODEM必須符合HART協(xié)議的物理層標(biāo)準(zhǔn)。它一端與CPU進(jìn)行雙向串行數(shù)字通訊，一端與信號(hào)調(diào)理電路相連，輸入／輸出符合HART協(xié)議信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。HART通訊模塊檢測(cè)到疊加在4～20mA環(huán)路上的FSK頻移鍵控信號(hào)后，由MODEM將1 200 Hz信號(hào)解調(diào)為“1”，2 200Hz信號(hào)解調(diào)為“0”，供CPU處理。同樣CPU送出的數(shù)字信號(hào)由MODEM調(diào)制成相應(yīng)的1 200 Hz和2 200Hz的FSK頻移鍵控信號(hào)，疊加在環(huán)路上發(fā)出。

    1.3.1 通信芯片

   以往基于HART協(xié)議的智能閥門(mén)定位器一般都是通過(guò)HT2012MODEM集成電路實(shí)現(xiàn)HART信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)過(guò)程。而系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用的是SMAR公司最新推出的低功耗HT3012實(shí)現(xiàn)HART通信。HT3012不僅具備HT2012的全部功能，并且在此基礎(chǔ)上集成了D/A轉(zhuǎn)換器、浮點(diǎn)協(xié)處理器以及LCD驅(qū)動(dòng)芯片。所以HT3012具有集成度高、性能好、功耗低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

    1.3.2 HT3012主要功能模塊

    (1)D/A轉(zhuǎn)換模塊

    HT3012內(nèi)部集成了一個(gè)15位D/A轉(zhuǎn)換器，其精度0.5μA/bit。首先數(shù)字信號(hào)進(jìn)入DAV寄存器中，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊處理，將其轉(zhuǎn)換結(jié)果由PW(2)、PW(1)、PW(0)經(jīng)疊加后輸出到電流環(huán)路中，由電流環(huán)路送到控制中心。

    (2)調(diào)制解調(diào)模塊

   HT3012一方面與CPU的異步串行通信口進(jìn)行串行通信，另一方面將輸入的不歸零制的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成1 200 Hz和2 200Hz的FSK頻移鍵控信號(hào)，或?qū)⒒芈沸盘?hào)經(jīng)帶通濾波、放大整形后取出FSK信號(hào)，并將其解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)HART通信。

    HT3012實(shí)現(xiàn)了用戶在微處理器與模擬控制過(guò)程回路之間的HART調(diào)制與解調(diào)過(guò)程。��

    2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

   HART智能閥門(mén)定位器的軟件可分為兩大部分：測(cè)控軟件和通信軟件。測(cè)控軟件包括：A/D采樣程序、非線性補(bǔ)償程序等。HART通信軟件實(shí)質(zhì)是HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)。HART智能閥門(mén)定位器的通信程序采用串行口中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

    2.1 測(cè)量模塊

   測(cè)量模塊包括A/D采樣程序、量程轉(zhuǎn)換程序、補(bǔ)償程序等，其中A/D采樣程序采取定時(shí)中斷采樣，以保證數(shù)據(jù)采集、處理的實(shí)時(shí)性。

   系統(tǒng)軟件主程序如圖2所示。微控制器上電復(fù)位后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，如中斷的設(shè)置，端口的分配。主程序主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集子程序、按鍵中斷子程序、液晶顯示子程序。在主循環(huán)中，通過(guò)按鍵進(jìn)行各模式之間的切換，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和控制策略，顯示輸入、閥門(mén)開(kāi)度等參數(shù)。�� 

    2.2 HART通信程序

   HART通信程序系HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)，HART通訊采取主從方式。只有在主機(jī)詢問(wèn)時(shí)才應(yīng)答，通信程序采用串行口接收/發(fā)送，一般由主機(jī)先發(fā)送命令幀，由串行口中斷接收命令幀后，由CPU作出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后把要發(fā)送的應(yīng)答幀置入發(fā)送緩沖區(qū)，由CPU觸發(fā)發(fā)送中斷發(fā)回應(yīng)答幀，從而完成一次命令的交換。接收數(shù)據(jù)時(shí)，若檢測(cè)到數(shù)據(jù)有錯(cuò)，則待主機(jī)命令幀發(fā)送完后，發(fā)出置有相應(yīng)錯(cuò)誤狀態(tài)位的應(yīng)答幀，通知主機(jī)數(shù)據(jù)接收有誤，主機(jī)接收該應(yīng)答幀后，則重發(fā)命令幀，從而保證通信的準(zhǔn)確無(wú)誤，基本的串行中斷程序框圖如圖3所示。�� 

    3 低功耗的設(shè)計(jì)

    3.1 低功耗系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)措施

    (1)存儲(chǔ)器的低功耗方式

   因存儲(chǔ)器實(shí)際讀寫(xiě)時(shí)間很短，大約只有幾百ns～幾ms，而電流較大，因此，當(dāng)存儲(chǔ)器不工作時(shí)，就使其處于待機(jī)工作方式，降低功耗。設(shè)計(jì)中MSP430F449內(nèi)帶Flash存儲(chǔ)器，可以減少外接EEPROM所帶來(lái)的電流消耗。

    (2)降低工作電壓及工作頻率

   為了降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，必須降低其供電電源，并且在保證滿足響應(yīng)速度要求條件下使系統(tǒng)的平均時(shí)鐘頻率降低。設(shè)計(jì)選用超低功耗的單片機(jī)MSP430F449，在3V供電下可穩(wěn)定工作，達(dá)到降低功耗的目的，并且內(nèi)部集成了高速系統(tǒng)主時(shí)鐘、輔助時(shí)鐘、子系統(tǒng)時(shí)鐘，且能根據(jù)需要按一定比例降低CPU主時(shí)鐘頻率。根據(jù)不同的運(yùn)算速度要求，由軟件改變CPU的時(shí)鐘頻率或進(jìn)行主、輔時(shí)鐘的切換，最大限度地降低功耗。使用鎖相環(huán)技術(shù)和內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘頻率。由于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不嚴(yán)格，所以主要操作模塊均采用低頻振蕩器產(chǎn)生的ACLK＝32kHz作為時(shí)鐘源。

    (3)選用LCD液晶顯示

    系統(tǒng)選用的LCM046具有較小的尺寸，功耗很低，僅耗電40μA，且功能強(qiáng)大。所以，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有利用MSP430單片機(jī)內(nèi)置的液晶驅(qū)動(dòng)模塊，而采用基于I2C總線的連接方式。

    (4)電路設(shè)計(jì)

   電路設(shè)計(jì)上，盡量減少不必要的功率消耗，提高各部分的供電效率；選用低功耗或微功耗器件。MCU采用MSP430F449超低功耗單片機(jī)，HARTMODEM選用HT3012。運(yùn)算放大器、線性穩(wěn)壓器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等均為低功耗或微功耗器件；選擇低泄漏電流的穩(wěn)壓二極管、本安保護(hù)二極管，以減少泄放電流。

    3.2低功耗系統(tǒng)的軟件分析

   (1)單片機(jī)系統(tǒng)中，CPU的運(yùn)行時(shí)間對(duì)系統(tǒng)功耗影響較大，故應(yīng)盡可能縮短CPU的工作時(shí)間，一般使其處于低功耗模式下工作，通過(guò)中斷喚醒CPU，使其在盡可能短的時(shí)間完成對(duì)信息或數(shù)據(jù)的處理。

   (2)通信時(shí)，若通信的數(shù)據(jù)量較大，應(yīng)提高傳輸?shù)牟ㄌ芈�，縮短通信時(shí)間。采用高效率的編碼方式，發(fā)送和接收時(shí)無(wú)需循環(huán)等待，采用外部中斷處理。

   (3)為了充分降低功耗，LCD不工作時(shí)將其關(guān)閉�？梢岳�用按鍵中斷，在組態(tài)時(shí)同時(shí)接通LCD，顯示組態(tài)過(guò)程和運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)未檢測(cè)到有按鍵操作，將其關(guān)閉，減少電流消耗。

    4 結(jié)束語(yǔ)

   基于HART協(xié)議的智能閥門(mén)定位器完全達(dá)到HART協(xié)議技術(shù)規(guī)范要求，它可與任何符合HART協(xié)議的手操器或控制系統(tǒng)互連，在設(shè)計(jì)中充分利用了智能閥門(mén)定位器能夠進(jìn)行雙向數(shù)字通訊的優(yōu)點(diǎn)和內(nèi)部微處理器的強(qiáng)大計(jì)算功能。通過(guò)上位機(jī)或手操器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定零點(diǎn)、量程等，由軟件完成補(bǔ)償功能。該定位器可就地完成零點(diǎn)、量程設(shè)置，可與上位機(jī)連接成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，也可以連接成多點(diǎn)模式操作。��

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