基于SPI驅動的智能調節(jié)閥控制系統(tǒng)研究

潘宇軒 董全林 張玉蓮 張春熹

摘 ?要： 針對工業(yè)過程控制領域的氣動調節(jié)閥閥口開度的控制要求，研究一種帶有SPI驅動顯示的基于 MSP430單片機的智能閥位開度控制系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)部分由MSP430驅動電路、采樣電路、后端PWM驅動以及外圍功能芯片等構成;軟件系統(tǒng)采用模塊化設計思想，通過中斷使CPU進入低功耗模式，降低系統(tǒng)功耗，提高工作效率。經測試表明，與傳統(tǒng)的力平衡原理閥位調控裝置相比，該系統(tǒng)具有數(shù)字化、智能化、響應迅速的特點。

關鍵詞： 閥門定位器; MSP430單片機; SPI; 調節(jié)閥; 開度控制; PWM驅動

中圖分類號： TN876?34; TP273 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）10?0001?04

Abstract： In view of the valve opening control requirement of the pneumatic regulating valve in industrial process control field， an MSP430 SCM based intelligent valve position opening control system with SPI drive display is studied. The hardware system is composed of MSP430 drive circuit， sampling circuit， back?end PWM drive， and peripheral functional chip. In the software system， the modular design idea is adopted and the CPU enters low power consumption mode by means of interruption to reduce power consumption of the system and improve work efficiency. The test results show that the system has the characteristics of digitalization， intelligence and fast response in comparison with the traditional valve position regulation and control device applying the force balance principle.

Keywords： valve positioner; MSP430 SCM; SPI; regulating valve; opening control; PWM drive

調節(jié)閥作為一種可以自由調節(jié)閥口開度的流量控制設備，已經廣泛應用于制藥、石油、化工領域。在閥門控制部件中，閥門定位器扮演著重要作用，借助其能夠優(yōu)化閥門的動靜態(tài)的特性，幫助改善介質的不平衡力以及來自填料的摩擦力，由此使控制精度更高，具備很好的靈活性[1]。伴隨嵌入式控制技術的進步，閥門開度控制設備便逐漸依靠單片機、DSP等微控制器的嵌入實現(xiàn)智能控制[2]。發(fā)展到現(xiàn)今，曾經基于力平衡機構的機械式閥門定位器已經被更加數(shù)字化、網絡化的智能閥門定位器取代。在我國，過程控制應用中所采用的智能閥門定位器（及其他類似智能儀表）多以美國、日本、德國等海外大型集團的產品為主，中國針對定位器的研究由于起步較晚，技術不成熟，工藝不完善，與國際水平還有差距。本文研究的基于MSP430系列單片機具有SPI驅動顯示功能的智能閥門定位器控制系統(tǒng)。其同時具有調節(jié)閥自診斷功能和多種流量模式，并能夠精確采集開度反饋信號同輸入過程中設定的信號，對這兩種信號進行對比分析，借助閥位控制算法便可以確保調節(jié)閥能夠迅捷高效地發(fā)現(xiàn)定值信號的改變狀況，從而精確的定位。

1 ?智能控制原理

控制器實現(xiàn)定位控制的工作機理如圖1所示。在控制系統(tǒng)MCU控制電路中，其中央處理單元能夠吸收外部所給予的兩個方面的信號，將閥門設定值信號同相關傳感器探測到的開度反饋值信號展開對比，如果位置發(fā)生變化，單片機便能依據(jù)其內部算法展開運算，從而發(fā)出一個占空比的PWM電控信號給電磁閥。在圖1中，能夠發(fā)現(xiàn)存在兩個三通電磁閥，借助該電磁閥能夠完成對氣缸的控制。I/P 轉換單元能夠把PWM信號轉變?yōu)檩^為適宜的氣動信號，因此氣缸機構便能實現(xiàn)運用，閥桿開始上下移動，實現(xiàn)對控制閥門的開關狀態(tài)和行程，確保其能夠迅捷地運行到指定的位置。

在文章中，筆者所探究的閥門開度控制系統(tǒng)需要達到如下性能要求：

1） 能夠將接收到的4～20 mA電流信號進行轉換，轉變?yōu)橐粋€互相對應的0～5 V的電壓信號，可以收集位移傳感器反饋的電壓信號。

2） 分析處理接收到的信號，展開一定的預算且能對控制算法進行一定的判斷，使其向外輸出寬度一定的信號來完成電磁閥的控制（I/P轉換模塊的元件）。

3） 運用鍵盤，可以對閥門的相關參數(shù)進行設定以及調節(jié)等。

4） 運用SPI驅動LCD顯示，從而確保能夠顯示出輸入、閥門開度和自診斷過程中的相關參數(shù)。

5） 具備斷電保存、電流檢測、電源電壓監(jiān)測、看門狗等功能。

2 ?系統(tǒng)硬件構成

圖2為本文系統(tǒng)的硬件結構，在圖中能夠發(fā)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)涵蓋很多模塊，分別是最小系統(tǒng)電路、位移反饋單元、電源、E2PROM、模擬量輸出電路、驅動電路、LCD顯示、D/A轉換和A/D轉換等板塊。下面將詳細地分模塊逐一闡述。

2.1 ?主控芯片與最小系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心是微控制器，本文在TI公司的MSP430F5系列單片機中進行篩選，最終確定MCU采用型號是MSP430F5438A的單片機。此芯片本身為16位的低功耗單片機，其包括4個分區(qū)，內存一共為256 kB，同時SRAM部分存儲空間為16 kB。在晶振頻率方面，該系統(tǒng)的頻率最高時達到25 MHz，SMCLK作為高頻外設定時器，內部自帶16個特殊功能引腳作為8組12位ADC，還具備SPI/I2C等通信接口以及JTAG調試功能。其功耗低，嵌入硬件多樣，性能可靠易上手，完全符合本系統(tǒng)的設計要求。

MCU的主要任務包括：

1） 對位移反饋值進行處理，并與輸入設定值展開對比，由此找出相關偏差;

2） 參照偏差值從而展開算法運算，最后向外界輸出特點PWM信號，進而控制I/P轉換模塊進行調整;

3） 通過SPI驅動12864LCD顯示當前閥門狀態(tài);

4） 基于定位器原理進行閥門自診斷。

2.2 ?電源及其監(jiān)控

該模塊至關重要，系統(tǒng)用電均通過此模塊提供，選用外部24 V（允許10%的上下浮動）直流電源供電。通過如圖3所示的24 V穩(wěn)壓及DC?DC轉換電路，轉換為5 V供電電壓，再經過LDO轉換成3.3 V電壓供MSP430取用。24 V穩(wěn)壓及DC?DC轉換電路圖如圖3所示。

該控制系統(tǒng)中所需的供電電壓主要有：24 V，5 V 和 3.3 V。24 V電源輸入后先經過24S24穩(wěn)定電壓之后再運用圖3顯示的3 A電流輸出穩(wěn)壓芯片LM2576，該芯片內部具有穩(wěn)壓器一級保護電路，僅用很少的外圍器件便能完成搭建，減少布線難度。采用芯片LM1117進行5 V到3.3 V的電壓轉換，電壓穩(wěn)定。

除此之外，想提升系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾性[3]，便必須監(jiān)測兩個關鍵電源5 V以及3.3 V，選用閾值為2.93 V的MAX706S芯片，該芯片具備性能穩(wěn)定、功能好，同時嵌入有看門狗功能等，能夠確保即使系統(tǒng)死機或者程序丟失，還能實現(xiàn)可靠復位。

2.3 ?輸入與反饋信號的采集

4～20 mA模擬電流信號經調節(jié)器傳送到信號采樣電路，經過處理后轉化成0～100%的開度設定值，利用高端電流檢測法在采樣電路中對電流信號進行轉化，將處理后的電流信號轉化為模擬電壓信號。位移傳感器中也同樣利用電流檢測法，在驅動電路的位置反饋單元中將閥門的感應信號作為該位置的電壓值，因此可以通過一個OPA芯片實現(xiàn)設定值和反饋值采樣，簡化電路結構。位移傳感器變阻式行程為15 mm。兩路輸入信號經過MSP430內部的A/D轉換器采樣后，單片機獲得數(shù)字信號，用單片機傳遞到處理模塊中。

2.4 ?電氣轉換單元及其驅動電路

系統(tǒng)中的電氣轉換單元主要作用是實現(xiàn)單片機傳遞出來的信號轉換，即將控制信號轉換為氣動信號，使執(zhí)行機構做出反應。電氣轉換單元是氣動執(zhí)行器的前沿部分，但是實現(xiàn)其功能需要結合噴嘴擋板技術、壓電閥技術、電磁閥技術這三種技術[4] 。

電氣轉換模塊采用如圖4所示的兩個一組直動型兩位三通電磁閥及組裝的氣路底座構成。控制系統(tǒng)電路部分發(fā)出具有特點占空比的PWM信號，經電氣轉換，控制電磁閥在多個PWM周期內對氣動執(zhí)行機構進行進氣（排氣）帶動調節(jié)閥閥桿和連接在閥桿上的位移傳感器運動，改變位移反饋值，反饋至微處理器與輸設定值進行比較得出偏差，經處理后單片機給出一個新的控制量。

本文使用兩位三通電磁閥，直動型電磁閥具有體形輕巧、功耗低、響應迅速（20 Hz）等優(yōu)點。電磁閥在工作時主要是利用閥芯和閥體之間的相對運動來使氣閥執(zhí)行相應的動作，即完成氣閥的開關和變換方向[5?8]。在本次系統(tǒng)設計中，采用三通電磁閥，它的工作電流較大，需要利用光電耦合器驅動三極管，作為電磁閥驅動電路。

? ? ? 3 ?系統(tǒng)軟件設計

在進行系統(tǒng)軟件的設計中，主要需要設計的是系統(tǒng)的處理程序、算法程序以及系統(tǒng)的顯示驅動程序。系統(tǒng)中的中斷請求采用的是CPU的低功耗模式，中斷的方式主要是定時中斷、自帶中斷和I/O口中斷。軟件的總體規(guī)劃圖如圖5所示。

由圖5可知，當系統(tǒng)執(zhí)行上電復位操作后，先對看門狗進行設置;然后進行時鐘，I/O口，SPI等初始化操作;利用程序：

void Send_byte（unsigned char dat）

{ UCB1TXBUF = dat;

while （！（UCB1IFG&UCTXIFG））; ? }

進行SPI數(shù)值的發(fā)送與裝填，初始化SPI時需要注意時鐘選擇高頻外設SMCLK。

這時需要通過控制算法程序對采樣進行處理，同時執(zhí)行按鍵中斷和系統(tǒng)參數(shù)設置等操作，然后在系統(tǒng)的顯示器中顯示相關的輸入/輸出值。利用所選單片機自帶的ADC12中的相關功能，采集系統(tǒng)中的設定值和反饋值。但是需要利用數(shù)據(jù)濾波器來對采集到的數(shù)據(jù)進行過濾，才能保證采集數(shù)據(jù)的真實性。當前常用的濾波方法包括中位值濾波法和算術平均濾波法等。本系統(tǒng)的設計中采用中位值濾波法對采集到的數(shù)據(jù)進行過濾，然后將過濾后的數(shù)據(jù)存儲到寄存器中，最后需要對數(shù)據(jù)進行處理。利用冒泡排序法排除數(shù)據(jù)中的相關干擾，對剩下的數(shù)據(jù)計算中值，從而得到返回值。在系統(tǒng)的控制算法中，采用開度控算法，然后結合PID與神經網絡對氣動閥門進行計算。氣動閥門是一個非線性的時變系統(tǒng)，它的數(shù)學模型的建立相當困難，但是采用開度控制算法就很好地避開了時變系統(tǒng)數(shù)學模型難建立的缺點，開度控制算法在非線性系統(tǒng)中的應用較多[9?10]。在當代工業(yè)控制領域中，PID控制有著較為廣泛的運用，但是它也有自身的缺陷。因此，在本次的系統(tǒng)設計中，結合PID控制和神經網絡，利用神經網絡對PID控制參數(shù)進行整定，提高了控制精度。

4 ?閥位控制系統(tǒng)的調試

本次系統(tǒng)設計得到的閥門控制系統(tǒng)調節(jié)平臺如圖6所示。該平臺上的實驗儀器主要有萬能表、直流電源、示波器、仿真器等。

系統(tǒng)中控制硬件有電路板，電路板上分別為模擬電路部分和數(shù)字電路部分，外接 LCD 模組和鍵盤。系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺為IAR EW，以C語言編程。

5 ?結 ?語

本文研究了具有SPI驅動顯示功能的閥門定位器控制系統(tǒng)，通過對該顯示驅動系統(tǒng)的精心設計和詳細描述，得到一個比較滿意的結果。在經過實驗驗證之后，設計的系統(tǒng)可以對閥門進行準確的控制，系統(tǒng)中的控制算法能夠準確地計算采集到的數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)中的顯示模塊能夠實時準確地顯示系統(tǒng)的控制狀態(tài)。該系統(tǒng)性能可靠，功耗較低，在工業(yè)過程控制領域具有廣泛的應用前景。

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