專利名稱：基于hart通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電動執(zhí)行機構(gòu)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)。
背景技術(shù)：
電動執(zhí)行機構(gòu)是自動化領(lǐng)域三大主要儀表之一，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化、輕紡、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。 由于HART協(xié)議具有兼容數(shù)字信號和模擬信號的特點，在不影響模擬信號控制的前提下可以進行數(shù)字通訊，具有現(xiàn)場和遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)控功能，在降低系統(tǒng)成本、提高控制精度和系統(tǒng)可靠性方面具有不可比擬的優(yōu)勢。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用，自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、總線化是大趨勢。 原有的智能電動執(zhí)行機構(gòu)通過4 20mA模擬信號控制，不能進行數(shù)字通訊，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的要求。目前具有HART協(xié)議的智能儀表在國內(nèi)市場上一直被國外公司的產(chǎn)品所壟斷，由于其高昂的價格和技術(shù)的壟斷，使國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)成本大大增加，降低了企業(yè)的競爭能力，因此研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)具有很大的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有智能電動執(zhí)行機構(gòu)無法實現(xiàn)數(shù)字通訊的問題，提出一
種基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，在智能電動執(zhí)行機構(gòu)基礎(chǔ)上增加了數(shù)字通信功能，
可使數(shù)字信號與模擬信號在互不干擾的情況下同時進行傳送，實現(xiàn)雙向通訊。 為達到上述目的，采用的技術(shù)方案是一種基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，
包括MCU控制單元、位置檢測單元、驅(qū)動控制單元、HART通訊接口和供電電源電路，其特征
在于MCU控制單元包括微處理器和采樣電路；HART通訊接口由MCU接口和變壓器耦合接
口構(gòu)成；來自采樣電路的信號與來自位置檢測單元的模擬信號經(jīng)過MCU控制單元進行比較
運算，根據(jù)兩者偏差輸出控制信號到驅(qū)動控制單元驅(qū)動電機運動，閥桿的行程同時通過位置檢測單元反饋到MCU控制單元形成閉環(huán)控制；外界數(shù)字信號通過HART調(diào)制解調(diào)器處理后通過HART通訊接口將信號送入MCU控制單元。 所述HART通訊接口發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)運算放大器放大，再經(jīng)過變壓器耦合到4 20mA直流信號上送入MCU控制單元。 所述MCU控制單元與人機界面相連接，所述人機界面可設(shè)定參數(shù)輸出至MCU控制
單元，所述MCU控制單元輸出狀態(tài)值給人機界面顯示。 所述電源電路由線性電源提供電源。 所述驅(qū)動控制單元通過固態(tài)繼電器來驅(qū)動電機運動。 本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明基于HART協(xié)議的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，首先，原有的電纜布置和控制策略可繼續(xù)發(fā)揮作用；其次，可使數(shù)字信號與模擬信號在互不干擾的情況下同時進行傳送，實現(xiàn)雙向通訊，可選擇地實現(xiàn)組態(tài)、調(diào)試、診斷和數(shù)據(jù)管理等功能，便于安裝、調(diào)校、維護以及控制，從而節(jié)省了大量費用，此外，定位器的數(shù)字通訊能以極快的速度提供大量的信息，這對于系統(tǒng)發(fā)生故障時的快速診斷十分重要，并可通過對過程數(shù)據(jù)的比較和評估，方便而迅捷地確定故障位置及原因，并提出修復(fù)方案，大大增強了基于HART協(xié)議的智能電動執(zhí)行機構(gòu)在控制領(lǐng)域中的作用。


以下說明書附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1為本發(fā)明原理框圖； 圖2為基于HART通訊接口的智能電動執(zhí)行機構(gòu)通訊接口連接圖。
具體實施例方式
由圖1本發(fā)明原理框圖和圖2通訊接口連接圖可見，一種基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，包括MCU控制單元7、位置檢測單元2、驅(qū)動控制單元6和HART通訊接口 4、MCU控制單元7和電機8的供電電源電路9，其特征在于MCU控制單元7包括微處理器和采樣電路5 ;HART通訊接口4由MCU接口和變壓器耦合接口構(gòu)成；來自采樣電路5的信號與來自位置檢測單元2的模擬信號經(jīng)過MCU控制單元7進行比較運算，根據(jù)兩者偏差輸出控制信號到驅(qū)動控制單元6驅(qū)動電機8運動，閥桿的行程同時通過位置檢測單元2反饋到MCU控制單元7形成閉環(huán)控制；外界數(shù)字信號通過HART調(diào)制解調(diào)器處理后通過HART通訊接口 4將信號送入MCU控制單元7。 所述HART通訊接口 4發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)運算放大器放大，再經(jīng)過變壓器耦合到4 20mA直流信號上送入MCU控制單元7。 所述MCU控制單元7還與人機界面相接，人機界面3可設(shè)定參數(shù)輸出至MCU控制單元7， MCU控制單元7輸出狀態(tài)值由人機界面3顯示。
所述電源電路9由線性電源提供電源。 所述驅(qū)動控制單元6通過打開固態(tài)繼電器來驅(qū)動電機8運動。 HART通訊接口電路檢測疊加在4 20mA直流信號上的頻率信號，通過MODEM解調(diào)
出數(shù)字信號，傳送給MCU進行處理；處理的結(jié)果經(jīng)過HART通訊接口電路4調(diào)制轉(zhuǎn)換為HART
信號要求的交變信號并疊加在直流信號上，從而實現(xiàn)與外界信息的數(shù)字通訊。本發(fā)明中，主
要的變量和控制信息由4 20mA傳送，在需要的情況下，其他過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)和
組態(tài)信息通過HART協(xié)議以數(shù)字通信的方式訪問。 (l)MCU控制單元MCU控制單元內(nèi)部集成12位AD轉(zhuǎn)換器、12位DA轉(zhuǎn)換器、高達60KB的FLASH存儲器以及2KB的RAM可以節(jié)省許多外圍芯片，大大簡化硬件電路設(shè)計。
(幻HART通信接口 該接口用MCU和HART MODEM芯片開發(fā)基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，簡單方便，縮小了空間和成本。HART MODEM的主要功能模塊由控制邏輯、載波檢測、調(diào)制和解調(diào)四部分組成。它集成了輸入濾波和輸出整形的功能，可以簡化接口電路設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性。
HART協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Bel 1202移頻鍵控信號以1200波特率進行通信。其物理層采用兩種不同頻率(1200Hz和2200Hz，分別代表二進制的"l"和"0")的正弦信號，疊加在4 20mA信號上進行通信，由于正弦信號的均值為0，因此不會影響電流值。采用這種方式可使模擬信號和數(shù)字信號能同時進行雙向通信而不互相干擾。 HART通訊接口主要由MODEM接口和變壓器耦合接口構(gòu)成。MCU本身帶有串口可作為其與HART MODEM的通訊接口 。 圖2所示為MCU與HART通訊接口連接圖，HART通信采用半雙工的主從模式，本產(chǎn)品作為從設(shè)備只有接收到地址匹配的請求幀才會響應(yīng)。平時無通信總線空閑時，HARTMODEM檢測不到通信信號，載波檢測輸出OCD引腳始終為低電平；當(dāng)總線(4 20mA直流信號)上出現(xiàn)1200 (±10)Hz或2200 (±2 O)Hz的頻率信號時，HART MODEM芯片A5191的帶通濾波器可以截取這段范圍的頻率信號，因此就能檢測到HART通信信號，A5191的OCD腳輸出為高電平，同時解調(diào)電路將輸入的頻率信號解調(diào)為邏輯電平信號通過ORXD引腳輸出。MCU的PI. 6腳和串口接收腳分別與A5191的OCD和ORXD相連，MCU檢測到PI. 6由低到高電平跳變后，啟動串口接收，將請求幀數(shù)據(jù)用接收中斷方式按字節(jié)一個個接收；當(dāng)總線上HART頻率信號結(jié)束，OCD回復(fù)至低電平，MCU串口接收完成并關(guān)閉，MCU對收到的數(shù)據(jù)進行解
析、判斷，按請求幀規(guī)定執(zhí)行相應(yīng)操作，將結(jié)果數(shù)據(jù)打包為一幀響應(yīng)幀，啟動串口發(fā)送機制，用發(fā)送中斷方式按字節(jié)逐個發(fā)送。MCU的Pl. 3腳和串口發(fā)送腳分別與A5191的INRTS腳和ITXD相連，一旦進入發(fā)送狀態(tài)，MCU的PI. 3引腳清零輸出低電平，控制HART MODEM切換到調(diào)制方式，即將串口發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制成1200Hz或2200Hz的頻率信號，整形后由運算放大器放大并經(jīng)過變壓器耦合到總線上，完成一次HART通信。 本發(fā)明采用的是半雙工的通信，按照OSI組織規(guī)定的系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)模型，將通信模型簡化為三層結(jié)構(gòu)，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。物理層規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了 HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通訊功能；應(yīng)用層規(guī)定HART命令集。命令分為三類，即通用命令、常用命令和專用命令。通用命令提供了所有與現(xiàn)場設(shè)備有關(guān)的功能，而且是HART設(shè)備所必須具備的功能，這些命令包括讀取制造廠家與設(shè)備類型；讀初始變量與單位；讀取電流輸出與量程的百分比；讀4個預(yù)定義的動態(tài)變量；讀寫8字符位號，16字符描述符，日期；讀寫32字符信息；讀量程、單位和阻尼時間常數(shù)；讀傳感器系列號和界限；讀寫最終裝配號；寫輪詢地址。常用命令提供常見的多種現(xiàn)場設(shè)備中的功能，但不是全部，設(shè)備可以有選擇地提供這些功能。常用命令包括讀總共4個動態(tài)變量的一組選擇；寫阻尼時間變量；寫量程；校準(zhǔn)測量(將當(dāng)前測量值置零或置最大量程)；設(shè)置固定的輸出電流；執(zhí)行自檢；執(zhí)行主機復(fù)位；調(diào)整設(shè)備零點；寫主變量單位；調(diào)整數(shù)字_模擬轉(zhuǎn)換器零點與增益；設(shè)置輸出傳遞函數(shù)；寫傳感器序列號；寫同步代碼個數(shù)等。專用命令提供只針對此類型的現(xiàn)場設(shè)備特殊的功能，是本發(fā)明自已所特有的，不互相兼容。 由于HART協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送速率是1200bit/s，每傳送一個字符的時間接近10毫秒，所以軟件中采用中斷的方式收發(fā)數(shù)據(jù)，其余時間可以使MCU處理其它事務(wù)。MSP430的USART模塊的接收、發(fā)送緩存均可產(chǎn)生獨立的中斷，程序在該中斷中完成對HART信息幀的各種處理。在幀的接收過程中，每當(dāng)檢測出異常，會自動設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)信息，程序在定時器中斷集中處理傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤、延遲，并根據(jù)不同的請求功能調(diào)用相應(yīng)的處理過程。信息幀的發(fā)送過程與此類似，當(dāng)系統(tǒng)工作于成組模式時，MCU由定時器控制周期性發(fā)布信息，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先檢測線路上是否有主機上傳的請求信息(OCD載波檢測)，如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有檢測到0CD，則會自動把設(shè)備運行的相關(guān)信息以HART信息幀的形式發(fā)送出去；如果恰有主機正在通信，則優(yōu)先執(zhí)行主機命令，或根據(jù)主機命令類型推遲或取消成組數(shù)據(jù)的發(fā)送。
權(quán)利要求
基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，包括MCU控制單元(7)、位置檢測單元(2)、驅(qū)動控制單元(6)和HART通訊接口(4)和供電電源電路(9)，其特征在于MCU控制單元(7)包括微處理器和采樣電路(5)；HART通訊接口(4)由MCU接口和變壓器耦合接口構(gòu)成；來自采樣電路(5)的信號與來自位置檢測單元(2)的模擬信號經(jīng)過MCU控制單元(7)進行比較運算，根據(jù)兩者偏差輸出控制信號到驅(qū)動控制單元(6)驅(qū)動電機(8)運動，閥桿的行程同時通過位置檢測單元(2)反饋到MCU控制單元(7)形成閉環(huán)控制；外界數(shù)字信號通過HART調(diào)制解調(diào)器處理后通過HART通訊接口(4)將信號送入MCU控制單元(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于所述HART通訊接口 (4)發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)運算放大器放大，再經(jīng)過變壓器耦合到4 20mA直流信號上送入MCU控制單元(7)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于所述MCU控制單元(7)與人機界面(3)相連接，所述人機界面(3)可設(shè)定參數(shù)輸出至MCU控制單元(7)，MCU控制單元(7)輸出狀態(tài)值由人機界面(3)顯示。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于所述電源電路(9)由線性電源提供電源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于所述驅(qū)動控制單元(6)通過固態(tài)繼電器來驅(qū)動電機(8)運動。
全文摘要
基于HART通訊的智能電動執(zhí)行機構(gòu)，包括MCU控制單元、位置檢測單元、驅(qū)動控制單元、HART通訊接口和供電電源，其特征在于MCU控制單元包括微處理器和采樣電路；HART通訊接口由MCU接口和變壓器耦合接口構(gòu)成；來自采樣電路的信號與來自位置檢測單元的模擬信號經(jīng)過MCU控制單元運算比較，根據(jù)兩者偏差驅(qū)動電機運動，閥桿的行程同時通過位置檢測單元反饋到MCU控制單元形成閉環(huán)控制；外界數(shù)字信號通過HART調(diào)制解調(diào)器處理后通過HART通訊接口將信號送入MCU控制單元。本發(fā)明的優(yōu)點在于原有的電纜布置和控制策略可繼續(xù)發(fā)揮作用；數(shù)字信號與模擬信號可實現(xiàn)雙向通訊傳送，實現(xiàn)組態(tài)、調(diào)試、診斷和數(shù)據(jù)管理等功能，便于安裝、調(diào)校、維護以及控制，從而節(jié)省了大量費用。
文檔編號H04L5/00GK101776870SQ20091024737
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者丁戍衛(wèi), 楊振榮 申請人:上海自動化儀表股份有限公司