基于HART通信協議的智能閥門定位器設計

吳寧勝

(浙江商業職業技術學院，浙江 杭州 310053)

基于HART通信協議的智能閥門定位器設計

吳寧勝

(浙江商業職業技術學院，浙江 杭州 310053)

閥門定位器是與氣動控制閥配套使用的現場儀表。為了提高定位器的控制性能，以AVR單片機為核心，設計了基于HART通信協議的智能閥門定位器。給出了詳細的原理框圖和軟硬件設計方案，研究了兩線制總線供電、低功耗設計、閥位控制算法、HART通信接口等技術問題。該設計實現了閥門定位器的智能化、數字化和網絡化，具有廣闊的應用前景，對相關產品的研制有重要的指導意義。

智能閥門定位器 總線供電 低功耗 PID控制 積分分離 HART協議

0 引言

閥門定位器是與氣動控制閥配套使用的現場儀表，用于實現溫度、流量、壓力等過程變量的控制，其廣泛應用在石化、電力、冶金、輕紡等自動化行業[1]。傳統的閥門定位器是基于機械力平衡的儀表，存在精度低、調試難、故障率高、控制不靈活等諸多缺點。隨著計算機和網絡技術在工業過程控制領域的應用, 以微處理器技術為基礎的智能閥門定位器能克服上述缺點，正逐步取代傳統閥門定位器[2]。

本文以AVR單片機為核心，設計了基于HART通信協議的智能閥門定位器。該定位器既可傳輸模擬信號，也可傳輸現場總線的數字信號，實現與控制中心的信息交互。該設計無需更改原有控制系統架構與工程布線，可直接連接智能閥門定位器，實現網絡化控制和管理，為工業4.0提供有效手段。同時，它采用總線供電，較好地解決了閥門定位器的本安防爆問題。

1 工作原理與總體設計

基于HART通信協議的智能閥門定位器原理框圖如圖1所示[2-4]。

圖1 智能閥門定位器原理圖Fig.1 Schematic diagram of the intelligent valve positioner

圖1中，超低功耗電源電路將4～20 mA電流信號轉換成電壓信號，為HART通信接口電路、控制信號取樣電路、MCU控制單元、I/P轉換單元、閥門位置檢測電路提供穩定的工作電壓。控制信號取樣電路完成控制信號的采樣。人機交互模塊主要顯示控制閥的工作狀態和輸入工作參數。MCU 控制單元將閥門位置反饋電路檢測的閥位信號與控制信號取樣電路提供的設定值信號進行比較，對偏差信號進行一定的控制算法運算，包括流量特性的修正補償，運算輸出驅動I/P電氣轉換及放大單元工作，從而實現被控閥的動作。HART通信接口電路實現MCU控制單元與外界的數據轉換。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路

基于HART通信協議的智能閥門定位器為二線制設計，與外部的連接只有兩條物理連線。4～20 mA電流信號既是給定的閥門位置目標控制信號，也是整個定位器硬件電路正常工作的電源[5]。因此，電源電路的設計是整個系統設計的基礎和關鍵。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the circuit of power supply

電源電路設計的關鍵是從4～20 mA模擬電流信號攝取合格的電源。4～20 mA電流信號經過抗干擾濾波電路、線性穩壓電路后產生低紋波系數的直流6.6 V電壓。線性穩壓電路決定了定位器從控制信號攝取的最小功率為26.4 mW(6.6 V×4 mA)，最大功率為132 mW(6.6 V×20 mA)。因此，后續各單元電路的設計必須將低功耗作為首要考慮的因素。考慮到定位器正常工作的電流為3.5 mA，單片機、閥門位置反饋、取樣電路和HART通信接口單元的供電均統一通過電荷泵(而非低壓差LDO模塊)，將6.6 V轉換成3.3 V電壓，最大限度地提高電源轉換效率。同時，6.6 V電壓通過DC-DC升壓電路升壓至24 V，為I/P電氣轉換單元供電[6]。

2.2 微控制器MCU單元及人機接口

根據電源電路部分的論述和設計，常用的MCU正常工作電流都在10 mA以上，無法滿足要求。因此，選擇超低功耗微控制器是本單元設計的關鍵。

需指出的是，本低功耗設計與電池供電系統中的低功耗設計有較大區別。電池供電系統中低功耗設計的目的是實現電池的最長時間供電，設計依據是長期的功耗指標(或用平均功耗)，所以，關注點是微控制器在空閑和休眠模式時的最小工作電流。而智能閥門定位器是一個實時工作系統，低功耗設計的目的是保證微控制器正常工作電流不超過電源電路分配的最大值，設計依據是瞬時的正常功耗。本設計采用基于AVR內核的8位低功耗控制器ATMEGA644PV。它具有多種低功耗模式；在1 MHz、1.8 V低電壓工作條件下，正常工作電流為0.4 mA，能很好地滿足系統設計要求。

LCD液晶顯示和4個按鍵是定位器人機信息和數據交互的窗口，可以完成參數的初始值設置、數據組態及實時顯示等諸多功能。

2.3 控制信號取樣與閥門位置反饋電路

控制信號取樣電路如圖3所示。

圖3 控制信號取樣及放大電路圖Fig.3 Circuitry of the control signal sampling and amplification

本單元電路采用低端檢測法，串聯一個低溫漂特性(溫度系數25×10-6)的線性檢流電阻R1，攝取與控制信號具有近似線性關系的電壓。該電壓通過反向放大電路調理后，送入A/D轉換器和微處理器進行采樣與數據處理。

圖3中，U1B為超低功耗滿擺幅運放，R11、R12為低溫漂精密電阻。這里R11、R12的取值不能過小，否則會造成不可忽略的取樣誤差。

閥門位置反饋電路的任務是閥門閥桿的實時位移檢測。本設計采用高精度線性電位器作為反饋主要部件，將閥門位置轉換為電位器的轉角，并輸出對應的電壓信號，經過A/D轉換后送微處理器。

2.4I/P轉換單元

I/P轉換單元的作用是將微控制器MCU輸出的電信號轉換成氣動信號，以驅動控制閥閥桿移動。基于壓電效應的I/P轉換單元，只需提供足夠電壓便能正常工作，其電流幾乎為零，特別適合對功耗有嚴格要求場合的應用。同時，它能接收較高頻率的控制信號，可直接對接微處理器中常見的PWM模塊，在智能電氣閥門定位器中得到了廣泛應用[6]。本文設計的智能閥門定位器使用OEM廠家提供的壓電閥式I/P轉換模塊，極大地提高了產品的穩定性。

2.5 HART通信接口電路

HART協議用于現場智能儀表和主機設備之間的雙向通信。它是在4～20 mA模擬信號上疊加正弦調制信號，實現數字通信，數據率為1 200 bit/s。數字信號“1”調制成頻率為1 200 Hz的信號，“0”調制成2 200 Hz的信號。數字信號幅度為0.5 mA，平均值為0。只要在原有模擬信號電路上增加相應濾波器，就不會對原有模擬信號產生干擾[7]。HART通信接口電路如圖4所示。

圖4 HART通信接口電路Fig.4 The HART communication interface circuit

HART通信接口電路主要由HART Modem、發送驅動和發送/接收轉換等構成。HART Modem內部集成符合Bell202標準的調制器、解調器、接收濾波器、發送信號整形電路、載波檢測等電路，簡化了接口電路設計，使系統更具可靠性。該芯片載波信號輸出功率有限，為此，本設計特別增加由運放U201構成的載波發送驅動電路，較好地滿足了通信網絡低阻抗情況下的可靠通信。HART通信是一種半雙工通信模式，因此本設計還配置了發送/接收轉換電路。HART Modem芯片需要460.8 kHz時鐘源，但460.8 kHz晶振是非標準的，不容易購買到。本設計中，設置微控制器的PWM模塊工作于CTC模式，經軟件編程分頻即可得到460.8 kHz時鐘信號。該方法有很好的靈活性，降低了成本。

3 軟件設計

本文研制的智能閥門定位器程序采用模塊化結構設計，主要由數據采集、控制、人機交互、通信和系統初始化等部分組成。數據采集程序完成控制電流與閥位的實時采樣、轉換和數字濾波等任務。控制程序主要是控制算法的具體實現。人機交互程序主要完成LCD顯示、用戶按鍵處理、故障分析與報警。通信程序完成HART通信協議的數據打包與解包、命令的解析等任務。系統初始化程序的任務是微處理器I/O與外圍芯片初始化、重要數據存儲與掉電保護設置等。軟件設計的核心與關鍵環節是控制程序與HART通信程序。

3.1 控制程序

不同規格的氣動控制閥，其特征參數差異較大，非線性和大滯后是其標志性的特點[8-9]。經過多次試驗，本文選擇積分分離PID算法來取得較好的控制特性。本算法的基本思想是：根據設定值與反饋值的誤差e來確定執行器膜頭進氣還是排氣。根據e的絕對值大小采用不同的控制策略。當誤差e大于規定值時，微控制器切除積分項，PWM輸出脈寬較大，閥位快速向設定值靠近；當誤差e小于規定值時，微控制器引入積分項，PWM輸出脈寬逐漸收窄，閥位緩慢接近設定值，直到誤差e低于設定死區，PWM不再輸出信號，閥門位置保持不變[10]。

為適應應用要求，還設置流量特性補償環節，用多段折線實現非線性補償。

3.2 HART協議通信程序

HART協議通信是一種半雙工通信模式，由主控設備(上位機)發通信請求，智能閥門定位器作為從機響應。根據ISO的OSI參考模型，HART協議分物理層、數據鏈路層和應用層。物理層涉及硬件接口；數據鏈路層規定了波特率1 200 bit/s、1位起始位、8位數據位、1位奇校驗位、1位停止位以及數據幀的格式與校驗等內容；應用層則對各種命令代碼作統一的規范。

依據HART協議的通信格式，可以計算出傳送一個字符的時間大約9 ms。如果采用延時等待連續發送的方式，一幀長數據就可能需要消耗0.5～1 s的CPU時間，控制的實時性無法保證。因此，HART協議通信程序設計的關鍵是每一個字節數據的收發都必須采用中斷方式實現。中斷程序流程圖如圖5所示。

圖5 HART收/發中斷程序流程圖Fig.5 Flowchart of HART Rx/Tx interrupt program

在接收中斷程序中，定位器對上位機數據幀進行識別和判斷，判斷依據是接收到的前導符0xFF個數以及字符間隔是否超時(超時，則觸發定時器溢出中斷，一幀數據接收完成)。發送中斷程序則是將已傳入發送緩存的數據逐個發送。接收數據幀的解析及發送數據幀的打包在主程序中實現。

4 結束語

本文以超低功耗AVR單片機ATMEGA644PV為核心，設計了基于HART通信協議的智能閥門定位器，實現了氣動閥門定位器的智能化、數字化和網絡化。實際應用表明, 該系統具有使用簡單、可靠性高、功能更加完善、適應性好等特點。經測試，系統定位精度可以達到閥門最大行程的±0.5%。

[1] 李倩如,賴慶峰,毛曉明,等.HART協議的智能閥門定位器的設計和實現[J].自動化儀表,2010,31(6):55-57.

[2] 李鳴,周天龍,黃曉剛.基于PROFIBUS-DP的智能閥門定位器設計[J].儀表技術與傳感器,2011(2):71-73.

[3] 蔡明,白雪蓮,章英.國產新型智能閥門定位器的設計[J].自動化儀表,2011,32(7):73-75.

[4] 李頎,欒翔鶴.智能閥門定位器的研究與開發[J].化工自動化及儀表，2010，37(4):64-66.

[5] 張智亮,鮮海波.基于HART協議的智能電氣閥門定位器研制[J].電工電氣，2010(2):15-17.

[6] 盧桂榮.基于MSP430單片機的智能閥門定位器研究[D].南京:南京理工大學,2011.

[7] 李春麗,李巍.基于HART協議的智能儀表通信電路設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2013(5):24-26.

[8] 楊慶慶,徐科軍,任保宏,等.變PWM占空比的壓電式閥門定位器控制方法[J].電子測量與儀器學報,2014,28(4):424-432.

[9] 胡小玲,徐科軍,楊慶慶,等.壓電比例式閥門定位器的控制方法研究[J].電子測量與儀器學報,2011,25(11):978-983.

[10]劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

Design of the Intelligent Valve Positioner Based on HART Protocol

Valve positioner is one of the field instruments supporting the use of pneumatic control valves. In order to enhance the control performance of the positioner, the intelligent valve positioner based on HART communication protocol has been designed with AVR single chip computer as the core. Detail schematic block diagram and design scheme of hardware and software are given. Several technical issues including two-wire bus power supply, low power consumption design, valve position control algorithm and HART communication interface, etc., are researched. The design realizes intellectualization, digitization and networking of the valve positioners; it possesses broad application prospects and important guiding significance for the development of related products.

Intelligent valve positioner Bus power supply Low power consumption PID control Integral separation HART protocol

浙江省教育廳科研基金資助項目(編號：Y201018912)。

TH863

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506025

修改稿收到日期：2015-01-09。

作者吳寧勝(1978-)，男，2004年畢業于桂林電子工業學院機械制造及其自動化專業，獲碩士學位，講師；主要從事機電技術、自動化控制、智能儀表等方面的研究。