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基于现场总线的数字阀门控制器开发

作　者: 袁占辉
导　师: 王刚
学　校: 天津大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 数字阀门控制器超低功耗二线制本质安全 HART总线
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

现场总线的应用已成为控制系统的发展趋势,它改变了传统控制系统的结构,形成了新型的网络集成式全分布控制系统。现场总线控制系统的逐步推广和普及对下层的执行设备也提出了新的要求。新的总线型执行设备除了完成基本的控制功能外,还应该具有双向通信能力,能够通过上位机对其进行组态和在线诊断。数字阀门控制器是智能气动阀门控制器的新一代产品,将传统型阀门控制器的功能和数字通讯技术结合起来,性能有了很大突破,诸如提高了控制的精度、速度和增加控制的灵活性。数字阀门控制器数字化、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。本文中介绍的数字控制器是基HART总线接口的二线制阀门控制器。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)为满足二线制仪表本安特性要求,设计开发了超低功耗的控制板软硬件系统,包括:1)低功耗的二线制电流源系统;2)利用MSP430单片机的超低功耗特性,优化了控制系统设计,降低整体应用系统的功耗;3)数据采样电路中选用低功耗的传感器及微功耗单电源运放来降低功耗;4)结合基于模块化思想的系统软件包设计,进一步降低系统电路的功耗。(2)HART总线的通讯线路设计及信号处理,包括:1)符合HART协议物理层规范的硬件设计;2)解决了通信环路中数字信号在模拟信号的叠加和分离问题。(3)开发制作了基于HART总线的二线制数字控制器样机电路板。

全文目录

中文摘要  2-3
ABSTRACT  3-6
第一章绪论  6-12
  1.1 课题国内外发展现状  6-9
    1.1.1 现场总线控制系统综述  6-7
    1.1.2 阀门控制器的发展现状  7-9
    1.1.3 数字阀门控制器的发展方向  9
  1.2 课题的重点  9-11
  1.3 本文的主要工作  11
  1.4 本文的内容安排  11-12
第二章系统的基本原理及总体结构设计  12-23
  2.1 系统的基本原理  12-16
    2.1.1 阀门控制器的控制原理  12-14
    2.1.2 数字阀门控制器基本构成  14-16
  2.2 系统的总体结构设计  16-20
    2.2.1 基本硬件结构  16-17
    2.2.2 二线制仪表的低功耗设计  17-18
    2.2.3 HART总线通讯设计  18-20
  2.3 数字阀门控制器与传统阀门控制器的比较  20-23
    2.3.1 传统阀门控制器的缺点  20-21
    2.3.2 数字阀门控制器的优点  21-22
    2.3.3 数字式控制器的实际工程应用  22-23
第三章系统硬件电路  23-49
  3.1 电源电路  23-31
    3.1.1 DC/DC 转换器的选择  23-24
    3.1.2 用线性电源产生6V 电源  24-25
    3.1.3 用MAX1673 电荷泵产生3V电源  25-26
    3.1.4 MAX629 低压电源供电DC/DC 转换器实现24V 电源  26-29
    3.1.5 保护电路  29-30
    3.1.6 取样电路的设计  30-31
  3.2 控制单元电路  31-39
    3.2.1 微处理器  32-34
    3.2.2 液晶显示  34-35
    3.2.3 按键接口电路  35-36
    3.2.4 I/P 控制单元  36-39
  3.3 温度压力阀位反馈数据采集电路  39-48
    3.3.1 压力数据采集电路设计  39-44
    3.3.2 温度传感器电路设计  44
    3.3.3 阀位反馈电路设计  44-48
    3.3.4 A/D 转换模块  48
  3.4 小结  48-49
第四章 HART通讯线路以及PCB制板设计  49-57
  4.1 HART通讯接口电路  49-53
    4.1.1 HART协议简介  49-50
    4.1.2 HART协议的分层  50-51
    4.1.3 HART芯片HT2015 简介  51-52
    4.1.4 MSP430F449 与HT2015 的接口设计  52-53
    4.1.5 HT2015 与外部总线的接口设计  53
  4.2 多层PCB制板  53-57
    4.2.1 PCB设计前准备  53-54
    4.2.2 设计流程  54-55
    4.2.3 设置规则  55-56
    4.2.4 PCB布线  56
    4.2.5 设计评审  56-57
第五章系统软件设计  57-64
  5.1 主程序  57-58
  5.2 人机接口模块程序  58-60
    5.2.1 按键控制程序  58-60
    5.2.2 液晶显示程序  60
  5.3 测量模块程序  60-61
  5.4 HART通讯程序  61-64
    5.4.1 HART信息帧  62
    5.4.2 HART通信的具体实现  62-64
第六章结论与展望  64-65
参考文献  65-67
发表论文和参加科研情况说明  67-68
致谢  68

基于现场总线的数字阀门控制器开发

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