基于HART協(xié)議的二線制智能閥門定位器筆者研制的基于HART協(xié)議的智能閥門定位器在兼容原有模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)上,增加了與上位機和現(xiàn)場設(shè)備的通信功能。通過上位機(或手操器)可遠程設(shè)定、修改零點、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,同時儀表實現(xiàn)了二線制閥門定位器的智能化設(shè)計。 1 智能閥門定位器系統(tǒng)硬件原理 智能型電-氣閥門定位器用于控制氣動直行程或角行程執(zhí)行器,以實現(xiàn)閥門的準確定位;贖ART協(xié)議的定位器接收來自過程調(diào)節(jié)器輸出的閥位給定信號實現(xiàn)閥門的準確定位。 HART智能閥門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傳輸。HART二線制智能閥門定位器系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由3個模塊組成: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)動主要通過4~20mA信號電流提供電源,因此設(shè)計的關(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 電氣閥門定位器的輸入為4~20mA的電流信號,為此首先精心設(shè)計了電源變換單元,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)壓器簡單、紋波低和無電磁干擾輻射(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;電荷泵同樣可提供升壓、降壓、極性相反的輸出,效率較高,外接電路簡單,低EMI和低紋波,但其輸出電流有限。設(shè)計時采用3者優(yōu)化的電源設(shè)計方案: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,所以選用電感型開關(guān)模式DC-DC變換器實現(xiàn)24 V電源。 1.2 CPU模塊 由于低功耗是設(shè)計的重點,因此,選用美國TI公司最新推出的16位超低功耗單片機MSP430F449。它具有16位RISC結(jié)構(gòu),靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗。以多種工作模式實現(xiàn)低功耗,并且一個中斷事件可將系統(tǒng)從各種工作模式中迅速喚醒,從待機到喚醒的響應(yīng)時間不超過6μs。由于片內(nèi)包含多種功能模塊(如鎖頻環(huán)路、定時器、看門狗、比較器、液晶驅(qū)動電路和輸入輸出端口等),它給單片機的低功耗設(shè)計提供了強有力的支持。 設(shè)計選用的MSP430F449自帶60kB的FLASH存儲器,2kB的RAM和WDT功能。這樣設(shè)計印制板可省去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)議的物理層標準。它一端與CPU進行雙向串行數(shù)字通訊,一端與信號調(diào)理電路相連,輸入/輸出符合HART協(xié)議信號標準的信號。HART通訊模塊檢測到疊加在4~20mA環(huán)路上的FSK頻移鍵控信號后,由MODEM將1 200 Hz信號解調(diào)為“1”,2 200Hz信號解調(diào)為“0”,供CPU處理。同樣CPU送出的數(shù)字信號由MODEM調(diào)制成相應(yīng)的1 200 Hz和2 200Hz的FSK頻移鍵控信號,疊加在環(huán)路上發(fā)出。 1.3.1 通信芯片 以往基于HART協(xié)議的智能閥門定位器一般都是通過HT2012MODEM集成電路實現(xiàn)HART信號的調(diào)制與解調(diào)過程。而系統(tǒng)的設(shè)計選用的是SMAR公司最新推出的低功耗HT3012實現(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、浮點協(xié)處理器以及LCD驅(qū)動芯片。所以HT3012具有集成度高、性能好、功耗低、設(shè)計簡單、開發(fā)周期短等優(yōu)點。 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15位D/A轉(zhuǎn)換器,其精度0.5μA/bit。首先數(shù)字信號進入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行串行通信,另一方面將輸入的不歸零制的數(shù)字信號調(diào)制成1 200 Hz和2 200Hz的FSK頻移鍵控信號,或?qū)⒒芈沸盘柦?jīng)帶通濾波、放大整形后取出FSK信號,并將其解調(diào)為數(shù)字信號,從而實現(xiàn)HART通信。 HT3012實現(xiàn)了用戶在微處理器與模擬控制過程回路之間的HART調(diào)制與解調(diào)過程。
HART智能閥門定位器的軟件可分為兩大部分:測控軟件和通信軟件。測控軟件包括:A/D采樣程序、非線性補償程序等。HART通信軟件實質(zhì)是HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實現(xiàn)。HART智能閥門定位器的通信程序采用串行口中斷方式進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。 2.1 測量模塊 測量模塊包括A/D采樣程序、量程轉(zhuǎn)換程序、補償程序等,其中A/D采樣程序采取定時中斷采樣,以保證數(shù)據(jù)采集、處理的實時性。 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,通過按鍵進行各模式之間的切換,執(zhí)行相應(yīng)的動作和控制策略,顯示輸入、閥門開度等參數(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)用層的軟件實現(xiàn),HART通訊采取主從方式。只有在主機詢問時才應(yīng)答,通信程序采用串行口接收/發(fā)送,一般由主機先發(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,若檢測到數(shù)據(jù)有錯,則待主機命令幀發(fā)送完后,發(fā)出置有相應(yīng)錯誤狀態(tài)位的應(yīng)答幀,通知主機數(shù)據(jù)接收有誤,主機接收該應(yīng)答幀后,則重發(fā)命令幀,從而保證通信的準確無誤,基本的串行中斷程序框圖如圖3所示。
3 低功耗的設(shè)計 3.1 低功耗系統(tǒng)硬件實現(xiàn)措施 (1)存儲器的低功耗方式 因存儲器實際讀寫時間很短,大約只有幾百ns~幾ms,而電流較大,因此,當存儲器不工作時,就使其處于待機工作方式,降低功耗。設(shè)計中MSP430F449內(nèi)帶Flash存儲器,可以減少外接EEPROM所帶來的電流消耗。 (2)降低工作電壓及工作頻率 為了降低單片機系統(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)的平均時鐘頻率降低。設(shè)計選用超低功耗的單片機MSP430F449,在3V供電下可穩(wěn)定工作,達到降低功耗的目的,并且內(nèi)部集成了高速系統(tǒng)主時鐘、輔助時鐘、子系統(tǒng)時鐘,且能根據(jù)需要按一定比例降低CPU主時鐘頻率。根據(jù)不同的運算速度要求,由軟件改變CPU的時鐘頻率或進行主、輔時鐘的切換,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鐘頻率。由于系統(tǒng)對實時性要求不嚴格,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,且功能強大。所以,系統(tǒng)設(shè)計時,沒有利用MSP430單片機內(nèi)置的液晶驅(qū)動模塊,而采用基于I2C總線的連接方式。 (4)電路設(shè)計 電路設(shè)計上,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,HARTMODEM選用HT3012。運算放大器、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)單片機系統(tǒng)中,CPU的運行時間對系統(tǒng)功耗影響較大,故應(yīng)盡可能縮短CPU的工作時間,一般使其處于低功耗模式下工作,通過中斷喚醒CPU,使其在盡可能短的時間完成對信息或數(shù)據(jù)的處理。 (2)通信時,若通信的數(shù)據(jù)量較大,應(yīng)提高傳輸?shù)牟ㄌ芈剩s短通信時間。采用高效率的編碼方式,發(fā)送和接收時無需循環(huán)等待,采用外部中斷處理。 (3)為了充分降低功耗,LCD不工作時將其關(guān)閉?梢岳冒存I中斷,在組態(tài)時同時接通LCD,顯示組態(tài)過程和運行參數(shù),當一段時間內(nèi),系統(tǒng)未檢測到有按鍵操作,將其關(guān)閉,減少電流消耗。 4 結(jié)束語 基于HART協(xié)議的智能閥門定位器完全達到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)計中充分利用了智能閥門定位器能夠進行雙向數(shù)字通訊的優(yōu)點和內(nèi)部微處理器的強大計算功能。通過上位機或手操器,實現(xiàn)遠程設(shè)定零點、量程等,由軟件完成補償功能。該定位器可就地完成零點、量程設(shè)置,可與上位機連接成點對點方式,也可以連接成多點模式操作。 參考文獻 [1] 邵貝貝,王暹輝.低功耗二線制設(shè)計在電氣閥門定位器中的實現(xiàn)[J].測控技術(shù)2000,19(10):47-49. 【聲明】: 以上文章或資料除注明為上海前澤閥門有限公司自創(chuàng)或編輯整理外,均為各方收集或網(wǎng)友推薦所得。其中摘錄的內(nèi)容以共享、研究為目的,不存在任何商業(yè)考慮。 目前網(wǎng)站上有些文章未注明作者或出處,甚至標注錯誤,此類情況出現(xiàn)并非不尊重作者及出處網(wǎng)站,而是因為有些資料來源的不規(guī)范。如果有了解作者或出處的原作者或網(wǎng)友,請告知,本網(wǎng)站將立即更正注明,并向作者道歉。 被摘錄的對象如有任何異議,請與本站聯(lián)系,聯(lián)系郵箱:swkfamen@163.com,本站確認后將立即撤下。謝謝您的支持與理解! |
發(fā)布時間:2011-08-10 來源地:http://sunhongnet.com |