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摘 要： 针对工控领域阀门控制系统对阀门控制精度高、能耗低的要求，对基于HART协议智能阀门定位器进行了研究，在符合设计要求的基础上，给出了二线制HART型智能阀门定位器的软硬件设计方案。硬件电路以主控芯片MSP430单片机为主，配以信号采样电路、阀位反馈电路、HART通信电路等组成硬件系统；软件设计采用模块化设计，各响应均以中断请求的方式进行。该系统满足系统的低功耗，阀位准确控制，具备HART通信等要求，对相关产品的研制具有指导意义。

关键词： 阀门定位器； MSP430； HART协议； 控制电路

中图分类号： TN915.04⁃34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）15⁃0160⁃04

Abstract： Since the valve control system in industrial control field has the demand for the high control accuracy and low energy consumption of the valve， the intelligent valve positioner based on HART protocol is studied. On the basis of complying with the design requirement， the software and hardware design schemes of the intelligent valve positioner of two⁃wire HART type are given. The hardware circuit takes MSP430 microcontroller as the main controller. The hardware system is composed of signal sampling circuit， valve feedback circuit and HART communication circuit. The software design adopts the modular design， and each response are conducted in the form of interrupt request. This system can meet the requirements of low power consumption and accurate valve position control， and has HART communication function. This study has the guide significance to the development of related products.

Keywords： valve positioner； MSP430； HART protocol； control circuit

0 引 言

随着工业控制领域不断向着智能化方向发展，各类过程控制仪器也逐渐实现了数字化、智能化、网络化的转变。由阀门定位器、执行机构、阀门主体三部分组成的阀门控制系统在石油、化工、食品、冶金、制药、轻纺、机械等各大领域得到了广泛的应用[1]，其控制性能的好坏也在很大程度上制约着相关产业产品的最终质量。为了实现阀门控制系统的智能控制，阀门定位器也从传统的机械力平衡式发展成了基于微处理器的智能式电信号处理。而国外如德国的西门子、美国的FISHER、日本山武（后更名为Azbil）等公司都相继成功研制出智能型二线制电/气阀门定位器，或配有HART，Profibus等现场总线接口的数字式电气阀门定位器，提高了阀门定位器的控制性能，代表了阀门定位器发展的趋势[2]。但国内相关方面的研究起步较晚，技术不成熟，发展缓慢，研制的产品与国外相比更是存在一定的差距，也正因为控制性能的不佳导致了目前国内市场长期大量购买国外昂贵的产品，成为了制约我国经济发展的一大因素。

本文针对基于HART协议智能阀门定位器进行研究，在满足定位器低功耗的前提下实现系统的自整定调节和阀位的准确控制，同时具备HART通信的功能。

1 阀门控制系统工作原理

如图1所示，二线制智能阀门控制系统主要由智能阀门定位器、执行机构、阀主体三部分组成。图1中电源模块、中央控制单元、HART通信模块、电磁阀I/P转换模块、取样电路模块、人机交互模块和阀位反馈模块共同组成了智能阀门定位器。在控制过程中，智能定位器接收4～20 mA标准电流信号，此电流信号一方面被电源模块通过转换电路生成系统各模块所需的工作电压，另一方面通过取样电路将控制电流信号转换成控制电压信号，此控制电压信号经过A/D转换后送给微处理器[3]。转换得到的控制电压信号来自两个不同途径，分别对应于人为设定的控制信息和实际反馈的位置信息。通过微处理器对这两路控制信息按照预先设定好的转化关系进行处理，得到两个信号之间的差值，根据此差值再结合设定的控制算法输出不同占空比的PWM波，用以驱动并控制I/P转换模块的电磁阀通断时间，从而完成对执行机构膜室内的冲放气过程，达到控制执行机构阀芯运动的目的。同时系统配置有HART通信，可以通过上位主机监测阀门位置，也可以利用HART通信对控制系统进行设定。这样通过人为设定控制信号和阀位反馈信号形成一个闭环负反馈的控制系统，便可对阀门实现快速、准确、稳定的定位控制。

2 智能阀门定位器硬件设计

基于HART协议的智能阀门定位器采用二线制的方式，电源线和信号线共用[4]。系统硬件电路主要由中央控制单元、HART接口单元、电源电路、I/P控制电路、人机界面接口和阀位反馈电路组成，其控制电路原理图如图2所示。由于该系统选用的微处理器属于电压驱动型器件，所以设计取样电路将线路中4～20 mA电流信号转换为电压信号交由MCU进行模数转换。而为了进行更准确的定位，系统需要通过位移传感器反馈阀门的实际位置信号，MCU通过对设定信号与反馈信号这两路信号的比较、计算，输出符合控制规则的信号调节阀门位置，形成有效的闭环负反馈调控系统。

2.1 中央控制单元

中央控制单元采用美国TI公司的MSP430F5438单片机，该单片机在1.8～3.6 V电压下工作，不仅具有超低功耗的特性，而且功能强大。MSP430F5438单片机具有16位RISC结构，有高达512 KB闪存和66 KB RAM，时钟最高可达25 MHz，有正常模式和5种低功耗模式，5种时钟源，且内部集成了12位8通道A/D采样模块，具备I2C，SPI，UART通信接口以及JTAG仿真调试模块，可在5 μs内从待机模式快速唤醒。

MSP430F5438单片机是整个系统的关键部分，利用其强大的运算性能对4～20 mA控制信号和反馈信号进行采样比较，做出相应的控制策略并产生符合目的的PWM控制信号对电磁阀的通断进行控制。

2.2 电源模块

智能定位器的设计采用二线制形式，其电源线和信号线共用两根导线，故各个器件的工作电压全部取自4～20 mA的电流。在电路中MCU的工作电压为3.3 V，电磁阀工作电压为24 V，LCD工作电压为5 V，另外，系统还需要产生2.5 V的电压基准源，所以电源模块的任务就是通过电路的设计将4～20 mA电流转换成实际各模块所需的工作电压。

2.3 I/P转换模块

I/P转换单元的主要作用是通过微控制器输出PWM信号的占空比变化来控制电磁阀的通断时间，从而控制气室内的气体压力[5]。气动执行机构将气室压力的改变转换为阀杆的直线位移或角位移，以此改变调节阀阀芯的位置，进而控制流入或流出控制系统的物料，实现过程参数的自动控制。

2.4 人机交互模块

人机交互模块的主要作用是实现操作者和控制系统之间的交流通信。基于HART协议智能型阀门定位器利用增键、减键、功能键、选择键4个按键作为人机对话输入部分，由于MSP430F5438管脚足够多，故按键设计时采用单键输入式实现对系统的工作模式、控制参数的设置等功能。

本设计选用具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等优点的点阵型液晶显示器OCM12864⁃9作为显示器件，用于显示阀门定位器的各种状态信息。该LCD自带驱动电路，显示内容为128×64点阵，能直接与MCU连接使用。

2.5 HART接口单元

HART电路模块的功能是把智能定位器主电路与HART主机设备连接起来实现对智能电气阀门定位器的远程操作。HART协议采用bell202标准的FSK频移键控信号，在4～20 mA模拟电流信号上叠加幅度为0.5 mA的正弦调制波，其传输示意图如图3所示。由于它叠加的正弦波信号平均值为零，因此不会影响4～20 mA模拟电流信号的传输。

本设计选用SMAR公司推出的用于HART信号调制解调的专用低功耗芯片HT2015。该芯片主要由控制逻辑、载波检测、调制与解调四个部分组成[6]。另外，采用MSP430的USART0作为与HT2015的通信接口，接口连接如图4所示。

INRTS脚为HT2015的工作方式控制端，OCD脚为载波信号检测端。MSP430工作在异步模式下，当HT2015的IRXA引脚上出现（1 200±10）Hz或（2 200±20）Hz的频率信号时，OCD出现高电平，说明线路上出现了有效的HART信号。若OCD为低电平，说明总线空闲。这时若设P4.2也为低电平，则HT2015的调制器打开，将从ITXD接收的数据调制整形后由OTXA引脚发送；若OCD为高电平，同样设P4.2为高电平，则HT2015的解调器开始工作，外部线路上传输的HART信号经过转换后由ORXD传送给单片机进行处理[7]。

3 智能阀门定位器软件设计

智能定位器软件部分主要由主程序、控制程序、人机界面管理程序及HART通信程序组成[8]。为了达到低功耗的目的，整个控制系统软件设计时将主要采取中断请求的方式进行。当没有外部请求时系统将工作在低功耗模式，有任务请求时采用中断方式唤醒相应模块工作，一旦请求完成立刻返回低功耗模式。

系统程序运行时首先进行初始化处理，用户可以完成相应的参数设置，同时系统进入低功耗的等待模式。各中断程序优先级顺序为定时中断>HART通信>按键中断，系统根据接收到的中断请求的优先级依次唤醒CPU工作，完成相应的中断服务程序后系统再次进入低功耗模式，系统程序执行流程图如图5所示。

系统主程序是以智能阀门定位器所用的MSP430控制器为硬件基础，在其上利用C语言编写程序，为后续各中断服务应用程序提供一个软件平台。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和输出控制信号；管理程序主要完成人机交互设计、错误处理、重要数据掉电保护及系统自诊断过程；HART通信程序主要完成HART通信协议的数据链路层和应用层协议规范所规定的具体任务，即生成符合HART协议的通信数据和对HART命令进行编码和解码，使智能设备和监控计算机可通过这些命令辨识对方信息。通信程序采取主从方式[9]（即当HART通信的主机产生了相应的访问时通信程序才开始给予回应），以串行口负责接收和发送，当串行口接收到主机发送的命令帧后，智能定位器控制系统做出数据处理，产生相应的应答帧并送到发送缓冲区，再通过MCU中的CPU触发发送中断发回应答帧，完成整个信息的交换，基本的串行中断程序如图6所示。

4 结 语

本文针对HART型智能阀门定位器进行研究，对控制系统的硬件、软件设计进行了详细的阐述，给出了合理的设计方案，解决了低功耗控制电路和单片机应用技术、控制软件设计等核心的技术难点问题，同时实现了HART通信功能。为实现我国智能阀门定位器的快速发展提供了线索，加快了智能阀门定位器向智能化、数字化和网络化发展的速度。

参考文献

[1] 卢桂荣.基于MSP430单片机的智能阀门定位器研究[D].南京：南京理工大学，2011.

[2] 廖玮.基于HART协议的智能定位阀控制系统的研制和开发[D].天津：天津大学，2009.

[3] 卢桂荣.基于MSP430单片机的智能阀门定位器研究[D].南京：南京理工大学，2011.

[4] 顾筠，金智林，毛建国.二线制智能阀门定位器研究与设计[J].人民长江，2007，38（6）：60⁃62.

[5] 蔡明，姜福杰.一款新型智能阀门定位器的设计[J].自动化与仪表，2008，23（10）：17⁃19.

[6] 吴宁胜.智能阀门定位器的HART通信接口设计[J].化工自动化及仪表，2015（6）：719⁃722.

[7] 杨升.智能电气定位器的HART通信接口开发[D].杭州：杭州电子科技大学，2011.

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[9] 李倩如，赖庆峰，毛晓明，等.HART协议的智能阀门定位器的设计和实现[J].自动化仪表，2010（6）：55⁃57.

[10] 琚玉建，谢绍斌，张薇.网络协议帧切分优化过程研究与仿真[J].计算机仿真，2015，32（1）：318⁃321.

[11] 刘韬.异步传感网中能量感知的跨层路由协议[J].计算机仿真，2015，32（9）：290⁃294.