基于HART协议的低功耗智能电气阀门定位器.doc

基于HART协议的低功耗智能电气阀门定位器HARTProtocolBasedIntelligentElectricalValvePositionerWithLowPowerConsumption逯大军王化祥(天津大学自动化学院,天津 300072摘要针对二线制智能电气阀门定位器的低功耗特性介绍了系统的工作原理、硬件构成及软件设计,重点介绍了程序的设计和代码优化,并将可变参数引入对FLASH储存器的应用中。关键词智能电气阀门定位器低功耗 HART协议可变参数Abstract ordancewiththefeatureoflowpowerconsumptionoftwo2wireintelligenceelectricalvalvepositioner,theoperationalprincipleofthesystem,, Intelligentelectricalvalvepositioner Micropower HARTProtocal Variableparameter0 引言执行器是过程控制系统的重要组成部分,定位器作为其主要附件之一,实际应用中与执行器配合使用,根据调节器输出信号控制执行器动作。当气动执行机构动作时,被控制物理量(阀门定位器对应的量为阀杆的位移经机械装置反馈至定位器,使定位器与执行器构成闭环回路。智能电气阀门定位器是将微处理器应用到定位器中的一种新型阀门定位器,属于具有通信能力的电气转换仪表。本文所设计的智能电气阀门定位器除完成一般定位器将输人电流信号变成气动压力信号的基本功能外,亦可通过中央控制单元对定位器进行配置,改变调节阀的流量特性;利用其通信能力可实现对现场仪表远程组态,并为故障定位提供丰富的诊断信息。1 定位器的工作原理及硬件设计本系统是基于HART协议的二线制智能阀门定位器,若允许电流有10%的波动,那么流过的电流实际仅为316mA。故设计难点在于如何合理规划硬件电路,使系统功耗最小化。 定位器总体结构如图1所示,智能式阀门定位器的控制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等部分组成。系统工作时,电源电路提供3V和24V两路电压信号,分别作为I/P控制电路和其余模块的工作电压。图1 中央控制单元中央控制单元采用TI公司的MSP430F449型号单片机,不仅具有超低功耗的特性,而且功能强大。MSP430F449具有5种省电模式,在212V、1MHz活动模式下电流消耗为280μA,在待机模式下仅111μA;16位RISC结构,125ns指令周期,内部含硬件乘法器,从待机到唤醒的响应时间不超过6μs,使CPU具有很高的指令执行速度和效率;内部集成有12位的A/D转换器,通过选择同步或异步串行通信接口,高达60kB的FLASH存储器以及2kB的RAM可节省许多外围芯片,大大简化硬件电路的设计。 调制解调器HT2015HT2015是SMAR公司最近推出的一款用于HART信号调制解调的专用低功耗芯片。如图2所示,HT2015的主要功能模块由控制逻辑、载波检测、调制与解调等4个部分组成,与传统HT2012的区别是调制解调模块分别集成了输出整形和输入滤波的功能,从而可简化接口部分硬件电路的设计,增强系统的可靠性。在实际应用中,当HT2015的载波检测模块检测到叠加在4~20mA直流信号上的外部控制信号时,解调模块将分离出叠加的数字信号,传送给CPU进行处73基于HART协议的低功耗智能电气阀门定位器逯大军,等理;处理的结果经其调制模块转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上,从而实现与外界信息的交互。图2 MSP430F449与HT2015的接口设计MSP430F449本身带有两个USART接口,分别对应USART0及USART1。由于在MSP430x42x、MSP430x43x两个系列的产品中只实现了USART0,为了方便软件移植,本设计采用其中的USART0作为与HT2015的通信接口(图3。图3 MSP430与HT2015接口原理图MSP430工作在异步模式下,当HT2015的IRXA引脚上出现1200(±10Hz或2200(±20