基于HART协议的智能定位阀控制系统的研制和开发

论文摘要

HART通信协议是由模拟系统向数字系统转变过程中唯一向后兼容的智能仪表解决方案,它具有现场总线的优越性的同时,还保留了对现有4～20mA系统的兼容性。与模拟仪表相比,HART智能仪表在成本不增加太大的前提下,具有易于调试维护和更高的精度的优点,因而在当前的过渡时期具有很强竞争力和十分广阔的市场。阀门定位器作为气动调节阀的主要附件之一,可以改善阀门特性、提高控制的精度、速度和增加控制的灵活性。基于HART协议的智能数字阀门定位器代表了气动执行器技术的发展方向,它可以实现数字化、通信化、智能化以及支持现场总线的特性,给工业自动化生产带来了深刻的变革。本文中介绍了基于HART协议的智能二线制阀门定位器。总体设计以满足二线制仪表本质安全防爆特性和实现基于HART总线的通讯为中心,主要研究内容和成果如下:(1)为满足智能阀门定位器的超低功耗要求,设计开发了控制板的软硬件系统。主要包括设计了低功耗的二线制电流源系统,构建了以MSP430单片机为核心的控制系统。(2)设计了基于HART总线的通讯线路。主要包括完成了符合HART协议物理层规范的硬件设计,实现了MCU控制下利用HART MODEM与其主设备之间的通讯。(3)结合基于模块化思想的系统软件包对控制系统进行设计,进一步降低系统电路的功耗。(4)开发制作了基于HART总线的二线制数字控制器样机电路板并进行了相应的实验以及调试。实验结果表明,所提出的基于HART技术的阀门定位器的硬件方案和软件结构是可行的。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的国内外发展现状
• 1.1.1 阀门定位器的发展现状
• 1.1.2 阀门定位器的发展方向
• 1.2 课题的来源和研究内容
• 1.3 课题的主要工作及其重点
• 1.3.1 课题的主要工作
• 1.3.2 课题的技术关键
• 1.4 本论文的主要安排
• 第二章 智能阀门定位器的基本原理及总体结构设计
• 2.1 阀门定位器的基本原理
• 2.1.1 阀门定位器的基本原理与作用
• 2.1.2 智能阀门定位器的构造
• 2.2 阀门定位系统的总体机构设计
• 2.2.1 基本硬件结构
• 2.2.2 二线制仪表的低功耗设计
• 2.2.3 HART 总线通讯设计
• 2.3 智能阀门的优势和应用
• 2.3.1 智能阀门与传统阀门的比较
• 2.3.2 智能定位器的实际工程应用
• 2.4 本章小结
• 第三章 智能阀门定位器系统的硬件电路
• 3.1 电源电路
• 3.1.1 选择合适的DC/DC 转换器
• 3.1.2 用电荷泵MAX1044 产生4.5V 电源
• 3.1.3 开关电感型DC/DC 变换器MAX8570 实现24V 电源
• 3.1.4 线性稳压器MAX1726 输出3.3V 电源
• 3.1.5 保护电路
• 3.2 控制单元电路
• 3.2.1 微处理器模块
• 3.2.2 LCD 显示模块
• 3.2.3 按键接口电路
• 3.2.4 基于压电陶瓷原理的I/P 控制单元
• 3.3 多层PCB 制版
• 3.4 本章小结
• 第四章 智能阀门定位器系统的HART 通讯线路
• 4.1 HART 通信协议的概述
• 4.1.1 HART 的特点和优势
• 4.1.2 HART 协议简介
• 4.2 HART 协议在系统中的应用
• 4.2.1 HART 芯片HT2015 简介
• 4.2.2 MSP430F449 与HT2015 的接口设计
• 4.2.3 HT2015 与外部总线的接口设计
• 4.3 HART 通讯的程序设计
• 4.3.1 HART 信息帧
• 4.3.2 HART 通信的具体实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 智能阀门定位器系统的软件设计
• 5.1 主程序
• 5.2 人机接口模块程序
• 5.2.1 按键控制程序
• 5.2.2 液晶显示程序
• 5.3 测量模块程序
• 第六章 智能阀门定位器系统的调试和实验
• 6.1 MCU 板的调试
• 6.2 HART 通信板的调试
• 6.3 LCD 显示板的调试
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 论文作者在攻读硕士学位期间 参加的科研项目和完成的学术论文
• 致谢