3 阀门定位器软件设计

软件设计主要包括主程序、温度、给定、位移采集子程序、PID自整定子程序、HART通讯子程序、人机交互子程序、EEPROM子程序等。

系统程序编写采用STM32库函数开发模式，由于STM32芯片外设资源丰富，寄存器的数量和复杂度难以估量，若采用直接配置寄存器方式，则需要对成百上千个寄存器一一设置，而且要对每个寄存器的犯位数据中每一位要完全熟悉，这就使程序的编写十分艰难。而库开发是用户在编写程序时调用与芯片底层对应的接口函数，而不必直接对寄存器赋值，它采用分层的思想将寄存器对应为直观易懂的接口函数，编写时只需给结构体函数成员赋值后调用即可，开发方便，理解简单。

系统控制主程序的主要任务为读取阀门开度的给定值、反馈值并计算偏差后进行PID运算，然后输出运算结果控制阀门的开度，流程图如图4。系统开始后进行频率、DAC,ADC、中断、自检测等初始化工作，若选择自整定，则进入Z/N法自整定子程序，若没有自整定，则利用程序事先给出的参数进行控制。由于阀门运行时定位器必须处于工作状态，所以用循环控制阀门开度。
    控制参数的自整定是由于阀门工作环境存在差异，得到最适合环境的系统控制参数会极大提高控制效果。自整定程序首先控制阀门开度为40 %，设置继电幅值并使系统震荡之后由芯片的输入捕获计时功能得到振荡临的界信息，根据Z-N第二法查表运算得出比例、积分、微分系数。用户获得安全许可后按键选择自整定程序完成后，可以将PID参数及阀位的实际控制的最高位、最低位这些参数存入芯片以0X08080000地址开始的EEPROM中，防掉电易失性，借助此措施能克服位置传感及给定测量的非线性因数。

                    图4 系统程序流程图

在PID运算中实时采集，比较反馈值与给定信号偏差的大小，采样电阻的电压范围大概0.2一1 V，位移反馈电压范围为0.9～2.2V，均线性化为0～100%比较。为避免系统频率动作导致系统不稳定和降低功耗，设定0.2%的死区范围。采用积分分离PID方法根据偏差大小适时引入积分作用，以消除静差，提
高系统的控制精度，使调节阀迅速达到给定值并保持稳定。人机交互功能可以根据实际需求更改某些关键数据，包括阀门的电流给定范围有效区间，开度范围有效区间，阀门动作响应速度等。为减小采样点高频干扰，程序中采用防脉冲干
扰的平均值滤波法:采集8个数据，去掉最高值和最低值求其平均值。并用过采样理论将12位精度提高到14位采样精度，分辨率为1 /16384,A/D采样通道设置采样时间为756 us。系统工作频率不易过高，易造成过高功耗，在满足正常工作的情况下将时钟树
倍·分频后部分外设工作频率为:USARTI为2 M,SPIl为1 MHz,DMA为8 MHz，液晶控制口(GPIO)为2 MHz，输入捕获(TIMS )为1 MHz，系统时钟源为降低功耗和干扰选择CPU内部16M时钟源。选用NO-KIA5110液晶屏，最大功耗为0.6mW，可与CPU的SPI接口直接相连，显示阀门开度、查看温度等信息。
对于富余的通用I/0全部设置为模拟输入状态、关闭IIC,CAN等不用外设时钟、降低显示屏刷新速度、合理错开功耗高峰时段等措施以减小功耗。HART协议报文是由前导码、序文、定界符、地址、命令、数据长度、校验位、结束符组成，USARTl接收后通过HART协议数
据计算公式进行解析，甄别有用数据。其数据接收解码部分程序如下:

4 测试结果

设计的电路经制板、贴片、焊接等过程之后，最后成品低功耗定位器电路如图5。电路板中间黑色芯片为核心处理器，右侧为5110显示屏，所显示信息为定位器工作时的实际给定和开度信息，分别为“给定:55.1 %"，“开度:55.0%”。

    图5 低功耗定位器电路实物图

在MATLAB中，利用Simulink仿真库构建阀门模型，将PID自整定后的控制参数KP=9.2,TI =0.O5,TD =0.02加至模型中，系统阶跃响应曲线如图6。由图可知，系统超调在5%以下，响应速度快，调节时间为2s，误差带宽度控制在0.5%以内，所以该结果表
明PID参数适合该控制系统，满足工业现场控制要求。

                图6 阀门控制效果仿

对整个系统现场调试，8.0 bar进气源通过减压阀后气压在4.5 bar额定气压下使气动阀工作，气压源低至2.0 bar仍然能正常工作;在4 mA给定时，电源模块能稳定在3.3 V电压，参考电压稳定在3.3 V,MAX4042实测功耗为0.45 mW , LTC1474-3.3芯片实测功耗为0.082 mW，显示屏功耗为0.3 mW。在3.0 mA给定时仍能完成阀门开度范围值检测、设定等初始化操作，此时实测功耗不超过24.6 mW。用自整定出的参数在相对长时间内依次分别将阀门打开至22% ,73% ,47%的开度，现场实测数据生成曲线如图7。由图可看出，本定位器调节十分迅速，结合阀门气囊漏气和气源波动等客观情况，阀门开度在稳定后有略微波动。

              图7 阀门开度控制实测曲线图

5 结论

在工业应用中，气动调节阀定位器的控制时间、精度、功耗为设计重点。本定位器以低功耗为初始目的，在满足控制时间和精度的基础上，很大程度地降低了功耗，为添加HART协议及其他与上位机、手操器通讯的协议提供了电源可利用空间;为工业生产提供了新支持，并对高精度、快响应、低功耗的新型控制器提出了新要求与新展望。