CN1655083A - 一种智能型二线制电气阀门定位器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种智能型二线制电气阀门定位器，包括控制电路单元、I/P电气转换单元和阀位检测反馈单元，其中，输入信号与阀位反馈信号一同进入所述智能电气阀门定位器控制电路的微处理器控制单元，进行比较运算，根据两者的偏差输出一控制信号到I/P电气转换单元，控制I/P电气转换单元的输出气压及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈到控制电路单元，形成闭环控制。本发明以微处理器为控制核心，采用电平衡原理代替传统的力平衡原理，通过将电控指令转换成气动定位增量来实现对阀位的精确控制，加强并扩展了定位器的功能。整机采用单片机控制，实现了全数字化、智能化，彻底改变了传统的依靠结构各异的零件加工和现场调整来适应现场要求的状况。

Description

一种智能型二线制电气阀门定位器及其控制方法

                                技术领域

本发明涉及电气调节阀定位器，特别是涉及一种智能型电气调节阀门定位器系统及其控制方法。

                                背景技术

随着工业的进步，电气调节阀门的定位器从最初的以纯气动、机械力平衡为工作原理的定位器，发展到后来的以电磁转换为工作原理的电/气阀门定位器，直到今天的智能型和使用现场总线技术的定位器。其总的趋势是电气化、智能化操作和控制，并且必将与全数字化工业控制相适应。

目前，我国使用的定位器主要是基于力平衡原理的机械式定位器，其采用喷嘴-挡板技术，这种定位器在使用过程中易磨损，安装调校时通常需反复调节一系列弹簧螺钉以达到力平衡，操作过程繁琐复杂，控制不够灵活，也不能方便地配合不同行程形式的阀门，且精度不能保证。

继气动阀门定位器之后，本领域也出现了电气阀门定位器，其输入采用0～10mA或4～20mA的直流电设定信号。这类定位器结构与上述的气动阀门定位器类似，不同之处仅在于波纹管换成了电磁铁，其输出为气压信号，能实现气动阀门定位器和电气转换器的双重作用。由于电气阀门定位器的输入只是一个电流信号，而实际电路中需要的是一组不同的电压，如MCU电源需要3.3V的电压，而控制压电陶瓷阀需要24V或更高的电压，因此必须经过一定的转换和处理。电气阀门定位器中的电源转换电路，其任务就是把输入的电流变换成3.3V和24V两组电源，供微控制器和其他器件使用。本领域现有技术中，电源转换电路的实现是先将输入电流转化为一个较低的电压，再通过振荡器产生振荡，最后通过整流、滤波及线性稳压得到所需电压值，但是，该方案的缺点是电路的关键部分(变压器)需自己绕制。而正是由于受到绕制变压器的工艺过程限制，使得其此类产品的精度难以保证，操作结果的一致性差、工作不稳定，且功耗较大，体积也很庞大。

                            发明内容

本发明正是为了解决上述现有技术存在的缺陷，而提出一种智能型二线制电气阀门定位器及其控制方法，将压电技术应用于定位器，采用高集成度电源设计方案，并且能够利用高集成微处理器实现智能型二线制电气阀门定位器气动直行程或角行程执行机构的控制。

本发明提供一种智能型二线制电气阀门定位器，包括控制电路单元、I/P电气转换单元和阀位检测反馈单元，其特征在于，所述智能电气阀门定位器控制电路单元还包括DC/DC电源转换电路和微处理器控制单元，所述I/P电气转换单元还包括由两个压电阀组构成的气路控制及放大部分，所述阀位检测反馈单元还包括反馈电位器和阀位反馈杠杆；输入信号与阀位反馈信号一同进入所述智能电气阀门定位器控制电路的微处理器控制单元，进行比较运算，根据两者的偏差输出一控制信号到I/P电气转换单元，控制I/P电气转换单元的输出气压及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈到控制电路单元，形成闭环控制。

本发明还提供了一种智能型二线制电气阀门定位器控制方法，在控制电路单元利用微处理器通过数据采集、按键中断及液晶显示操作，实现通过按键进行各模式之间的切换，执行相应的动作和控制策略，参数显示，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)关闭系统看门狗时钟发生器，停止定时，并开启全局中断；

2)端口初始化；

3)调用液晶显示子程序，显示操作结果；

4)进行A/D通道选择，时钟、定时时间设置，并开启A/D中断；

5)设置按键时钟、设置定时时间，开启按键中断；

6)进入本发明的低功耗模式；

7)判断当前是否到A/D中断定时时间；

如A/D中断定时已到，则进入A/D中断子程序；

执行A/D中断子程序；

中断返回，等待满足下一次定时时间；

否则，判断当前时间是否已到按键中断定时；

如此时按键中断定时已到，则进入按键中断子程序；

执行按键中断子程序，中断返回，等待下一次定时时间到。

与现有技术相比，本发明提出的基于运动电动势控制的异步电动机的调速方法，智能型电气阀门定位器以微处理器为核心，采用电平衡(数字平衡)原理代替传统的力平衡原理，通过将电控指令转换成气动定位增量来实现对阀位的精确控制，加强并扩展了定位器的功能。整机采用单片机控制，实现了全数字化、智能化，如流量特性修正，自动调零与调量程、报警、故障自诊断、现场显示等都可以由软件功能实现，这些特点是现有同类项目所不具备的，彻底改变了传统的依靠结构各异的零件加工和现场调整来适应现场要求的状况。

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

                        附图说明

图1为本发明智能型二线制电气定位器的功能模块结构图；

图2为本发明智能型二线制电气定位器控制方法的主流程图；

图3为本发明智能型二线制电气定位器控制方法的A/D转换中断程序流程图；

图4为本发明智能型二线制电气定位器控制方法的键盘中断处理程序流程图。

图5为本发明智能型二线制电气定位器控制方法的液晶显示处理程序流程图；

图6为本发明的智能电-气阀门定位器控制电路中的电源变换电路图；

图7为本发明的智能型二线制电气定位器中的电源变换电路的高端电流检测电路图；

图8为本发明的智能型二线制电气定位器中的电源变换电路的开关电容式电压倒相器电路；

图9为本发明的智能型二线制电气定位器中的电源变换电路的电感型开关模式DC-DC变换器电路图；

图10为本发明的智能型二线制电气定位器中的电源变换电路的过电压保护电路图；

图11为本发明的单片机控制单元硬件方框图；

图12为本发明的液晶模块所采用的基于I²C总线的接口应用方框图；

图13为本发明的智能型二线制电气定位器的I/P电器转换单元的控制电路图。

                        具体实施方式

通常情况下，对于二线制定位器，其输入电流信号范围为4～20mA，该信号作为定位信号，同时为定位器提供所需要的能源。系统的总电流消耗必须小于回路的最小电流要求(即保证在最小电流4mA的条件下电路仍然能够正常工作)。为了留有一定的裕量，同时为了兼容基于HART协议的智能变送器，则设计整个电路的最大消耗电流的上限为3.5mA。正是由于两线制系统对功耗的苛刻要求，因此控制电路的设计与优化是本发明技术方案实现的关键，本发明的总体设计即围绕如何实现低功耗展开。

本发明所提出的智能型二线制电气阀门定位器，由智能电-气阀门定位器控制电路单元101、I/P电气(电流/气压)转换单元和阀位检测反馈单元组成，其系统结构如图1所示。来自调节器的输入信号与阀位反馈信号一同进入微处理器，进行比较运算，根据两者的偏差输出一控制信号到I/P转换单元，控制I/P单元的输出气压及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈到控制单元，形成闭环控制。

其中，控制电路单元为PCB印刷电路板组件，主要包括：

1、DC/DC电源转换电路，用来将4～20mA的输入电流信号转换成6V、3V和24V三组电压。具体来说，三组电压分别是：a.用线性电源产生6V电源；b.用电荷泵产生3V电源；c.用电感型开关模式DC-DC变换器产生24V电源；该电源转换电路中还包括取样电路。

2、控制单元

采用超低功耗单片机应用系统，例如TI公司的MSP430单片机，主要包括：

a.A/D转换模块；b.人机接口模块；c.脉冲驱动模块；d.系统软件设计。

上述控制电路单元为PCB印刷电路板组件，其在安装架留有4个连接端子，与印刷板下面的电气转换I/P单元相连接，同时留有螺钉接线端子盒与阀位反馈系统连接；阀位检测反馈单位通过刚性连接的连杆，与调节阀阀杆进行无间隙配合。

I/P电气转换单元由两个压电阀组构成的气路控制及放大部分，气动阀组安装在壳体内部，进气和输出压力的气动接口位于定位器的一侧，与PCB印刷电路板相连接。

阀位检测反馈单元包括反馈电位器和阀位反馈杠杆，其通过刚性连接的连杆，与调节阀阀杆进行无间隙配合，从而把调节阀的行程(位移或转角)转换为反馈电位器的转角，进而可以转化为电信号。参数设定采用电位器，用于反馈的电位器不是常规的电位器，而是一种装有球轴承和耐用的电阻薄片的特殊的电位器。电阻薄片用特殊的耐磨损导电塑料材质制成。因此电位器可用于各种场合，连续件也不会损坏。

控制阀A和B用来控制压缩空气进出气动调节阀，阀A是进气阀，阀B是排气阀，这两个阀门都只有“开”和“关”两种状态。这种控制思想实际上是用小阀来控制压缩空气流量，再用压缩空气推动大的阀门，控制被控介质的流量，是一种分级控制的设计方案。

具体来讲，在任一时刻，阀A、B之中只能有一个开通，另一个关闭。若当A开通时，由于压缩空气压力大于膜头内压力，因此压缩空气进入调节阀，阀杆向下移动；反之若当B开通时，调节阀气室内的压缩空气经B排入大气，阀杆在弹簧的作用下向上移动，在智能阀门定位器中，为了能与控制电路接口，阀A和B的开通与关断必须能够用电量来控制。实际中使用的阀A、B有电磁阀、压电陶瓷阀等多种类型。这里使用的是一种压电陶瓷控制阀，其基本原理是依据压电材料的压电效应。用一小片特殊制作的压电陶瓷片，在它两侧加上24～30V电压·压电陶瓷片就会发生弯曲，总的形变量可达几十微米。从而可以堵住/放开进气口或排气口，达到控制气流的目的。由于压电陶瓷的阻抗很高，所以这种控制阀的优点是功耗极低，易于实现二线制仪表和防爆。此外，它动作速度快、质量轻，因而在震动较大的环境中仍能可靠工作。

如图2所示，为本发明所提出的智能型二线制电气阀门定位器控制方法的主程序流程，主要由数据采集子程序、按键中断子程序、液晶显示子程序等构成。实现对本发明提出的定位器系统的控制及结果显示。在主循环中，通过按键进行各模式之间的切换，执行相应的动作和控制策略，显示输入的参数、阀门开度等参数。该主程序包括以下步骤：首先，关闭系统看门狗时钟发生器，停止定时，并开启全局中断，步骤201；初始化端口，步骤202；调用液晶显示子程序，显示操作结果，步骤203；进行A/D通道选择，时钟、定时时间设置，并开启A/D中断，步骤204；设置按键时钟、设置定时时间，开启按键中断，步骤205；进入本发明的低功耗模式，步骤206；判断当前是否到A/D中断定时时间，步骤207；如A/D中断定时已到，则进入A/D中断子程序，步骤208；执行完A/D中断子程序后，中断返回，等待满足下一次定时时间；否则，当前A/D中断定时未到，则继续判断当前时间是否已到按键中断定时，步骤209；如此时按键中断定时已到，则进入按键中断子程序，步骤210；执行完按键中断子程序后，中断返回，等待满足下一次定时时间。

在上述主程序中可以实现的是：定位器在初始化时，可以根据输入参数，自动确定执行器的零点、最大行程、作用方向和定位速度。工作时，可根据阀门或执行器的机械性能变化，自动修改控制参数、补偿阀门老化、磨损等误差。实现了全数字化、智能化，如流量特性修正，自动调零与调量程、报警、故障自诊断、现场显示等都可以由软件功能实现，这些特点是现有同类项目所不具备的，彻底改变了传统的依靠结构各异的零件加工和现场调整来适应现场要求的状况。

如图3所示，为本发明所提出的智能型二线制电气阀门定位器控制方法的A/D中断处理程序30的流程，它是在满足条件情况下被主程序调用的子程序，该子程序包括以下步骤：首先，进行输入信号采样，步骤301；判断当前是否为采用P6.4采样通道，步骤302；如是，则保存当前采样的A/D转换结果，步骤303；判断已完成5次采样，步骤304；如是，则进行数字滤波处理，步骤305；对数字滤波输出结果进行线性化处理，步骤306；输出信号结果设置位AD1，步骤307；如否，则进一步判断当前采用的是否P6.5采样通道，步骤308；若未满足5次采样，则返回步骤301，继续完成信号采样；

如果当前采样通道不是P6.4，则继续判断当前采样通道是否为P6.5，步骤308；如果是，则保存当前采样结果的A/D转换结果，步骤309；判断是否完成5次采样，步骤310；如是，则进行数字滤波，步骤311；及线性化处理，步骤312；并将此输出信号结果设置为AD2；同理，如果采样次数未满足5次，则返回步骤301，继续完成采样。

如图4所示，为本发明所提出的智能型二线制电气阀门定位器控制方法的按键中断处理程序，这也是一个在满足条件情况下被主程序流程中所调用的子程序，其包括以下步骤：进入按键中断处理程序40，判断当前是否接收到按键按下操作；步骤401；通过按键识别函数，获得当前按下的按键的键值，步骤402；判断是否为模式按键按下，步骤403；如否，则返回子程序开始，重新等待新的按键动作的接收；如是，则进一步判断当前按键按下的时间是否超过5秒，步骤404；如是，则设定为组态模式，步骤405；根据用户对按键的持续操作时间，分别选择不同的工作模式：即组态模式、手动模式和自动模式；步骤405至步骤409。按键的功能取决于可选择的工作模式：

1、自动模式，经初始化(以及组态)的定位器自动地按设定值改变并且不断地使系统的偏差尽可能趋于最小值。这时+1键和-1键不起作用；

2、手动模式按工作模式键，使定位器从自动模式切换到手动模式。通过按+1键或-1键达到分步调整。为了达到快速增升，先按+1键，然后再按-1键；同理，为达到快速下降，先按-1键，再按+1键。一旦释放+1/-1键，执行机构就停在其现时的位置。内设定值被调整至现时的操作变量。由于手动模式内控制是闭环的，因此即使处于定位器气源泄漏事故时，仍能保持当前阀位；

3、组态模式用工作模式按键可从自动模式或手动模式转换为组态模式，为此，必须按住模式转换键至少5秒钟，直至完成转换。

其中，组态参数主要包括：执行结构的类型(角行程或直行程)、反馈角度(30°和90°)、行程值、自动初始化、手动初始化、输入电流范围、正反作用、阀门禁闭功能。

在组态模式下能改变定位器的参数值，使用模式键可选择下一个参数，如果在按模式键(＜5s)的同时按住-1键，则以相反次序选择参数。利用+1按键或-1按键可改变参数值。

如图5所示，为本发明的液晶显示子程序流程，为主程序所调用，其包括以下步骤：写初始化命令定义模式，步骤501；定义内部RC振荡方式，步骤502；启动振荡器，步骤503；打开显示器，步骤504；连续写入数据时序，步骤505；显示阀位程序，步骤506；显示组态模式程序，步骤507。

本发明采用了液晶模块LCM046，它具有较小的尺寸，且功耗很低，功能强大，所以，系统设计时，没有利用MSP430单片机内置的液晶驱动模块，而采用基于I²C总线的连接方式，

下面通过具体实施例，进一步具体说明本发明的智能型二线制电气阀门定位器的系统的实现方案。

(一)定位器控制电路单元

目前常用的DC-DC变换器主要有线性稳压器、电感型开关模式DC-DC变换器和电容电荷泵DC-DC变换器。三种电源转换器中，线性稳压器简单、无纹波和电磁干扰发射(EMI)，但效率低且输出电压只能低于输入电压；开关电源效率高、最为灵活，能够提供升压、降压以及极性相反的输出，是电压比V_out/V_m高的理想选择，保证低纹波、EMI和噪声的关键在于电路设计；电荷泵同样可提供升压、降压、极性相反的输出，效率较高，外接电路简单，低EMI和低纹波，但其输出电流有限。

由于电源模块需将输入电流转换成多组电源，所以综合三者的特点，采用三者方式相结合的电源设计方案，用于产生不同幅度的电源电压。本发明提出了新型的二线制系统的电源，其电源转换电路图如图6所示。在该电源转换电路中，包括极性保护和电源前端抗干扰部分、用线性电源产生6V电源、高端电流检测电路、用开关电容电压倒相器产生3V电源、电感型开关模式DC-DC变换器实现24V电源、2.5V电压基准；过电压保护单元。

1.极性保护和电源前端抗干扰部分；

方块1：JP1为输入端子，3为4～20mA的正端，1和2端先短接的输出接至电流环的输出端。3与U0(肖特基二极管)相连接，为极性保护作用。U0与电感L11，JP1的1端与电感L12相连，然后它们再分别与U1相连，U1为共模扼流圈，这种连接方式是为了消除共模干扰以及电源前端的高频串扰。R1，C1相串联与U1相接，防止在某一频段共振现象的出现。电路输入为4～20mA电流环，由于操作失误或者意外情况会将其极性接错，将损坏开关稳压电源。极性保护的目的，就是仅当以正确的极性连接，电源才能工作。利用单向导通的器件可以实现，这里采用低压差的肖特基二极管作为电路的极性保护。

2、用线性电源产生6V电源

取样电阻Rsense接在方块1的后段，另一端与U2相连，U2为6V的齐纳二极管，其一端与取样电阻Rsense相连，另一端接入地平面，C2、C3分别为钽电解电容和小陶瓷电容，C2、C3与U2并联，为了消除低频和高频干扰。

U2的正端即为电源电路的6V电源提供端，由方块2可看出，电路简单可靠。

由于电源电路是串联在4～20mA电流环内，所以采用并联稳压电路较为理想。齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和能隙电压基准三种均可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。齐纳二极管为工作在反向偏置的二极管，需要一个串联的限流电阻。在要求高精度和低功耗的情况下，齐纳二极管通常是不适合的，但齐纳二极管常用于电压箝位电路，其箝位电压范围很宽，从2V至200V，功率可以从几毫瓦到几瓦，且其吸入电流的能力很强，价格便宜。所以，利用齐纳二极管能有效箝位电压、吸收电流的特性，产生6V电源并同时吸收多余的电流。同时采用低压差的肖特基二极管作为电路的极性保护(几十mA电流时，正向压降＜0.3V)。

3、取样电路的设计

阀门定位器要求单片机能够接收来自调节器的控制阀门开度的电流信号(4～20mA)，为此，在电源电路的前端串联一取样电阻，取样电阻两端通过差动放大器放大，送入微处理器进行采样。为了减少温漂对系统测量精度的影响，电流检测电阻选用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。

基于功耗的要求，需选用单电源运放，将减少信号范围。因此，取样电阻的位置选择尤为重要。作者根据取样电阻位置的不同，设计出两种不同的取样方式。

取样方式一：高端电流检测

高端电流检测放大器的输入共模范围独立于工作电压，这样可以保证即使在低工作电压的情况下，电流检测回路仍然有效。其电路连接情况如图7所示。该电路也就是取自图6中方块3的局部放大图。其中，U3为高端电流检测放大器，1端为电源端，直接与方块2的6V端子相接，C4为旁路电容，分别与1端、3端相连。8端、6端分别接取样电阻Rsense的两端。4端为输出电压端，R2、C5组成滤波电路与4端相连，然后将滤波电压值送入微处理器的AD1。

本发明选用Maxim公司的max4372，其为一种带缓冲输出的高边电流检测放大器。max4372具有以下特点：宽电源电压范围：2.7V～28V；电路结构允许0V至28V输入；独立的电源电压；当输入的共模电压接近地电压时，接地检测输入端保持良好的线性度和阻止输出相位倒转。此外，放大器工作时消耗电流仅为30μA，达到0.18％满标度精确率，1.5Ω的输出阻抗。省去了增益設置的电压输出。

Maxim的高端电流检测放大器采用一个连接于电源正端和待测电路电源入口的电阻来检测电流，高端电流检测避免了给地平面引入外来电阻，改善了电路的整体性能并简化了布线。

4、用开关电容电压倒相器产生3V电源

电荷泵，也称为开关电容电压变换器，电荷泵的损耗主要来自电容器的ESR和内部开关晶体管的导通电阻(RDSON)，而这两者都可以做得很低。采用电荷泵最大的好处是消除由电感或变压器引起的磁场干扰，泵输入噪声可以通过滤波电容消除，而且电路设计简单有效，只需外接陶瓷电容。

设计时我们利用“电压为相对量”这一思想及开关电容的倒相性特点，巧妙的设计出稳定的3V电源，其电路连接关系如图8所示。即对应图6中的方块4的局部放大电路。将输出端1端接地，地端4端为输出端，输入端2端为6V电压端，这样，地端输出实际是输入端的0.5倍，即3V电源。

因为max1720具有高效率、高输出电流的特点，所以此部分电路功耗极其低且由于开关电源降压变换可提升输出电流，电源带负载能力大大增强。

我们选用的是Maxim公司的开关电容式电压倒相器max1720，，其采用SOT23-6封装，可对1.5V～5.5V范围内的输入电压进行倒相或倍压，电压转换效率为99.9％，50μA的静态电流(使用关断引脚时更低)，输出电流可达25mA。

5、电感型开关模式DC-DC变换器实现24V电源

由于本设计中需要提供24V的电源，而开关电源是电压比V_out/V_in高的理想选择，所以选用电感型开关模式DC-DC变换器实现24V电源。

电感型DC-DC变换器的工作原理是先储存能量，然后以受控方式释放能量，从而得到所需要的输出电压。通常最少需要一个外部电感、电容和肖特基二极管，这里选用的是max1605，该芯片工作电压为+2.4V至+5.5V，能够将低达0.8V的电池电压升至28V，其工作电流仅为18μA，转换效率为88％，在小电流应用中有利于减小输出电压的纹波和外部元件尺寸，其电路连接情况见图9所示。即图6中的方块5的局部放大电路。U5的1、2端短接，与3V电源相连接。C7为旁路电容，一端接电源，另一端接地。5端和3端短接，接入地平面。电感L3一端与经过保护电路的6V相连，另一端与4端和D1相连接。6端为反馈输入，其阈值为1.25V。

电感型升压转换器是低压降线性稳压器(LD0)无法取代的，尽管稳压电荷泵可以实现升压，但效率较低，输出电流较小。升压转换器的缺点是输出纹波和开关噪音较大。需要选择好的控制方案以消除振荡，减少开关场效应管引起的效率损失，为此采取以下解决办法：

(1)储能电感的选择：电感是影响DC-DC转换器性能的关键器件，主要考虑的参数有电感量、饱和电流和直流电阻。我们选用直流电阻较低、饱和电流较大的功率电感，这种电感一般为缠绕在铁氧体磁芯上的线圈。当流经电感的电流较大时，加上磁芯的饱和，将使实际电感值下降，所以应选用饱和电流较大(大于实际流过电感的峰值电流)的电感，一般来讲，20％的轻度饱和(电感量下降20％)是可以接受的。

电感值一般可在10μH至300μH之间选择。过小的电感量将会使电感电流不连续，造成电流输出能力降低，输出纹波增大，并有可能在限流比较器关断功率开关之前，使电感电流增加到很大值而造成DC-DC转换器的损坏；电感值过大则会造成瞬间响应变差，并增加DC-DC转换器体积。电感值的选取应当以实际输入输出条件及对输出纹波、瞬态响应等的要求为依据。

本设计中的输入/输出条件为：

输入电压V_in＝3V；

输出电压V_out＝26V；

输出电流I_out＝20mA；

最大工作频率F_max＝500kHz；

额定输出电流时电感电流脉动的峰值ΔI＝0.5A。

电感峰值电流的计算步骤如下：

①计算占空比：D＝(V_out-V_in)/V_out＝88.5％；

②计算平均电感电流：I_Lavb＝I_out/(1-D)＝0.173A；

③计算电感峰值电流：I_LP＝I_Lavb+ΔI/2＝0.423A；

④计算电感值：L≈V_in*D/(ΔI*F_max)＝10.6μH。

则可以选取饱和电流不低于0.173A，电感值11μH左右的电感。

(2)续流二极管D的选择

为提高转换效率，该器件应选用正向导通压降较低的肖特基二极管。其主要参数为最大反向电压V_R及最大正向电流I_D，这里我们选用Motorola的MBRS0530。

(3)波电容的选择

滤波电容的等效串联电阻ESR是造成输出纹波的主要因素，而且也会影响到转换效率。陶瓷电容和钽电解电容具有较低的ESR，也可选用低ESR的铝电解电容，但应尽量避免标准铝电解电容，容量一般取10μF～100μF，对于较重的负载，应选取大一点的电容。较大容量的滤波电容有利于改善输出纹波和瞬态响应。这里，选用小陶瓷电容，陶瓷电容可以得到低输入输出噪声，在高温情况下工作可靠，同时又占用较小的面积。

(4)消除DC-DC噪声

消除DC-DC噪声的通用方法是抑制技术，特别是滤波和屏蔽。另外一种节约成本的解决方案是将DC-DC变换器的工作频率(噪声源)锁定到时钟频率，这个频率的纹波和辐射不影响系统性能，同时可以将噪声频谱移开，改善系统性能和节约成本(无需屏蔽)。

6·2.5V电压基准

U6的1端为电源端，与6V电源及5端相连，2、4端为地端，直接连接。1、2端之间接入电容C10，3端和2端之间接入C11，C10、C11为钽电容，容值在1～10uf，3端为输出端，输出基准电压2.5V。

7、过电压保护

当齐纳二极管击穿或不能正常稳压时，将使开关稳压器不能正常工作，甚至损坏内部器件，因此，有必要使用输入过电压保护电路，自动关断开关电源的升降压电路，其电路连接情况见图10所示，即对应于图6中的方块7的局部放大电路图。

U7为充电泵运放，当比较器用。U7的2端(运算放大器负端)接2.5基准，3(运算放大器正端)端接6V电源的分压值，正常工作状态下，3端电压低于2端基准，U7的输出端6端输出低电平，场效应管U8不导通，则各电源电路保持工作状态。当齐纳二极管不能正常稳压时，3端电压高于2端，6端输出高电平，场效应管U8导通，则R8的另一端电压钳位在零电位，自动关断开关电源的升、降压电路。

8、开关电源的PCB设计

印制板走线方式和元器件的布局常常会影响电路的性能，所以在设计印刷线路板时，需仔细思考走线方式和元器件的放置问题。否则，印刷线路板的效率、最大输出电流、输出纹波及其它特性都将会受到影响。产生这些影响的两个主要原因则是地线(GND、VSS)和电源线(VCC、VDD)的连接。如果地线及电源线设计合理，电路将能正常地工作，获得较好的性能指标，否则会产生干扰、性能指标恶化等问题。

以下提出设计中需注意的几个问题：

a.用平面布线方式(planar pattern)接地和接电源线，确保地线低噪声和避免许多长跳线分割接地面；

b.按电路图中的信号电流走向依序逐个放置元器件，保证它们之间的连线最短，以减少噪声，同时将元器件放置在同一方向，便于回流焊接；

c.由于布线之间会产生杂散电容，过长连线会产生阻抗，故在设计中注意线间杂散电容和缩短布线长度有利于消除噪声，减少辐射的产生；

d.根据电路原理图进行元件的布局，输入电流线和输出电流线应进行区别；

e.如果电路中采用了线圈和变压器，必须小心进行连接；

f.元器件间或元器件焊盘和焊盘间必须保证0.5毫米以上的间隙，避免出现桥接。

在升压转换器中，还需注意以下几点：

a.将输出电容尽可能与IC靠近，尽量减小电流回路；

b.在PCB板的背面用平面布线方法进行地线连接，板背面的接地线通过一个过孔与板正面的接地线相连；

c.保证反馈电阻与反馈引脚尽可能的短并在反馈引脚处布线面积尽可能小；

d.电容并联使用以减少滤波电容的并联等效串联电阻(ESR)，同时也使每一个电容能分流一部分波纹电流。

为了进一步降低系统的功耗，首先要尽量缩短工作时间，延长掉电时间；其次是配合外部电路降低系统的功耗，即进入掉电方式前要进行一些设置：

a 关闭未使用外围器件的电源等；

b.对口进行处理：对作为准双向口使用的I/O口，若口线具有外部上拉电阻，则在进入掉电方式前应置高，关闭内部下拉晶体管；若口线未接外部上拉电阻(采用内部上拉)，则进入掉电方式前应置低，以关闭内部上拉晶体管；对开漏输出配置的口线进入掉电方式前应置高，当然这些操作应首先保证口的外部功能；

c.关掉某些不使用的功能，如掉电检测模拟比较器等，看门狗功能较特殊，只能编程时配置，程序中一旦使用就不能将其关掉。不需看门狗功能在编程时不使能其功能即可。

其中，定位部分和执行部分构成一个反馈回路，输入单元接受来自控制器的4～20mA电流信号。调节阀位置反馈信号作为被控变量与给定信号值在微处理器中比较，其偏差通过主控板的输出口发出不同长度的脉冲，生成施加于控制I/P转换单元的输出压力，从而完成驱动调节阀动作。

(二)单片机控制系统

控制单元选用带有FLASH的MSP430F149超低功耗单片机，其FLASH存储器多达60KB，RAM多达2KB；12位A/D转换器带有内部参考源、采样保持和自动扫描特性；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6μs的时间内激活。其硬件原理框图如图11所示。本系统MSP430单片机系统低功耗的实现是以间断性工作甚至大部分情况使系统处于空闲或掉电模式下。在间断工作的单片机系统中，外围器件的静态功耗是首选指标。MSP430系列单片机将大量的CPU外围模块集成在片内且系统各个模块完全是独立运行的，定时器(Timer)、输入/输出口(I/O Port)、A/D转换、看门狗(Watchdog)、液晶显示器(LCD)等都可以在主CPU休眠的状态下独立运行。当需要主CPU工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU，从而使系统以最低功耗运行。这一功能可以使得单片机外围系统的功耗大大降低。MSP430F149带有60KB的Flash存储器，可以将系统配置参数写入，从而减少外接EEPROM所带来的电流消耗。

1、LCD显示模块

由于LCD功耗较低且可达到较佳的人机对话效果，所以选用它作为显示器件。LCD和按键一起提供人机交互接口，显示器用于显示阀门定位器的各种状态信息，按键用于输入组态数据和手动操作。

液晶显示模块选用4位8段液晶显示模块LCMO46，其内含看门狗(WDT)时钟发生器，2种频率的蜂鸣驱动电路，内置显示RAM，可显示任意字段笔划，3-4线串行接口，可与任何单片机、IC接口，低功耗特性，显示状态40μA(典型值)，省电模式＜1μA，工作电压2.4～5.2V，视角对比度可调，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单，是仪器仪表、手持便携仪器等的最佳通用型显示模块。

液晶模块LCMO46具有较小的尺寸，且功耗很低，功能强大，所以系统硬件设计时，没有利用MSP430单片机内置的液晶驱动模块，而采用基于I²C总线的连接方式，其接口应用方框图如图12所示，从而可以大大节省I/O端口，便于以后微处理器的扩展。由于LCM046内部有上拉电阻，为保证低功耗，每次送数之后，/CS、/RD、/WR、DATA必须接高电平或悬浮。这里MCU和LCM046的工作电压相同，可以直接相接。/RD、/IRQ、BZ可不用，用三线接口即可：/CS、/WR和DATA。

2、I/P控制电路

由于压电陶瓷需要24V以上的电压驱动，而微处理器输出的脉冲幅度只能达到它的电源幅度，不足以驱动压电陶瓷阀。所以需要额外的I/P控制电路，把小幅度脉冲(3V)转变成大幅度(24V以上)脉冲。

由于绝缘栅场效应管是利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道控制电流，其栅极处于不导电(绝缘)状态，所以它不仅兼有一般牛导体三极管体积小、重量低、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗非常高(高达10¹⁵Ω)、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而大大地扩展了它的应用范围。

I/P转换单元的电路是利用N沟道的增强型绝缘栅场效应管(MOSFET)的开关作用来控制的。所谓增强型是指U_GS＝0时，漏源之间没有导电通道，即使在漏源之间加上电压(在一定范围内)，也没有漏极电流，其控制电路如图13所示。在该控制电路中，利用MSP430单片机的定时器A0、A1、B0、B1产生不同幅度的输出方式来控制压电陶瓷四个端子。举其中的一个单元为例，当P1.0输出高电平，则Q1管导通，Q2栅极电压为0V，则Q2管截止，此时压电陶瓷1端输出0V；当P1.0输出低电平，Q1管截止，Q2管导通，压电陶瓷1端输出24V。通过控制定时器A0的输出波形，进而控制压电阀持续开通、断续开通或阀位不变的不同状态。其它三个单元的原理相同，不再赘述。

3、系统软件设计

低功耗系统的软件设计任务之一就是配合硬件电路，进一步降低系统的功耗。系统软件采用模块化设计，不仅程序结构清晰，而且便于进一步扩展。系统软件由主程序、定时器中断服务程序、键盘中断服务程序、数据采集处理子程序、液晶显示子程序、掉电保护子程序等模块构成。

主程序初始化之后进人休眠状态，关闭各外围电源。各功能程序由定时器定时调度，唤醒CPU，进行模拟量的转换以及其他的处理。处理完毕再进入休眠状态。中断服务程序是此系统软件设计的核心，为了降低功耗，主要子程序模块均在中断服务程序中完成。

(1)主程序

MSP430单片机具有十分方便的开发环境，可以使用C或C++语言，大大提高开发调试工作的效率；同时，所产生的文档资料也容易理解，便于移植。而对于FLASH型的单片机，则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，所以可采用下载程序到FLASH内，然后在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试开发使用。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。

MSP430单片机有1种活动模式和5种低功耗模式，其工作模式通过控制位设置。在各种工作模式下，时钟系统产生的3种时钟的活动状态以及系统的功耗是各不相同的。

利用MSP430单片机的低功耗工作模式，微控制器上电复位后，系统首先进行初始化操作，如中断的设置、端口的分配等，然后进入休眠状态。关闭各外围电源。各功能程序由定时器定时调度，唤醒CPU，进行模拟量的转换以及其他的处理。处理完毕再进入休眠状态，

参见图2，主程序主要由数据采集子程序、按键中断子程序、液晶显示子程序等构成。在主循环中，通过按键进行各模式之间的切换，执行相应的动作和控制策略，显示输入的参数、阀门开度等参数。

为了进一步降低系统的功耗，首先要尽量缩短工作时间，延长掉电时间；其次是配合外部电路降低系统的功耗，即进入掉电方式前要进行一些设置：

a关闭未使用外围器件的电源等；

b.对口进行处理：对作为准双向口使用的I/O口，若口线具有外部上拉电阻，则在进入掉电方式前应置高，关闭内部下拉晶体管；若口线未接外部上拉电阻(采用内部上拉)，则进入掉电方式前应置低，以关闭内部上拉晶体管；对开漏输出配置的口线进入掉电方式前应置高，当然这些操作应首先保证口的外部功能；

c.关掉某些不使用的功能，如掉电检测模拟比较器等，看门狗功能较特殊，只能编程时配置，程序中一旦使用就不能将其关掉。不需看门狗功能在编程时不使能其功能即可。

(2)数据采集中断服务程序

该模块主要完成对ADC采样数据进行处理和闭环控制，将阀位的设定信号和反馈信号转换为数字量，计算误差。在掉电瞬间，自动保护有用信息和系统运行状态，来电时能自动恢复掉电前工作状态，保证处理的连续性，其流程图如图3所示。

主要操作均在定时器中完成，可以使单片机间断方式工作，以充分降低功耗；当不工作时，使其处于低功耗模式3。模数转换部分在定时器A1中完成；压电驱动模块，则利用定时器A0和B0工作在比较模式产生所需要的信号，以满足系统对低功耗的要求。

阀位的控制中，本系统采用五接点开关控制算法。所谓五接点开关，是指把误差范围分正大、正中、死区、负中、负大五个区域，在不同区域中执行不同的动作来减少误差：当误差在正大或负大区域时，控制器输出连续信号给压电控制阀，持续进气或排气，使行程快速改变；在正中或负中区域，输出一定宽度的脉冲信号，断续进气或排气，行程缓慢改变；在死区内，不输出信号，行程不改变。

为了减少对采样值的干扰，提高系统的可靠性，常常采用数字滤波的方法。中值滤波是把几个采样值按一定顺序排列，如从小到大排列，然后取其中间值为本次采样值。这种方法适用于变量变化比较缓慢的过程，消除偶然因素造成的干扰；而算术平均值滤波是把几次连续采样值相加求和，除以采样次数n，所得结果作为该次采样值。这种方法适用于周期性脉冲变化的采样信号。本系统采用算术平均值滤波和中值滤波相结合的复合数字滤波，既可消除周期性脉冲干扰又可消除随机脉冲干扰。

(3)按键中断服务程序

该程序流程参见图4，按键设置单元共用三个按键(+1键、-1键以及工作模式按键)配合使用，完成工作模式的设置，手动控制阀位，控制参数的设定等。同样，为了降低功耗，本设计采用中断的方式处理按键响应，进行各模式之间的切换，达到任意组态按键的功能取决于可选择的工作模式：

①自动模式

自动模式为常用的模式，经初始化(以及组态)的定位器自动地按设定值改变并且不断地使系统的偏差尽可能趋于最小值。这时+1键和-1键不起作用。

②手动模式

按工作模式键，使定位器从自动模式切换到手动模式。通过按+1键或-1键达到分步调整。为了达到快速增升，先按+1键，然后再按-1键；同理，为达到快速下降，先按-1键，再按+1键。一旦释放+1/-1键，执行机构就停在其现时的位置。内设定值被调整至现时的操作变量。由于手动模式内控制是闭环的，因此即使处于定位器气源泄漏事故时，仍能保持当前阀位。

③组态模式

用工作模式按键可从自动模式或手动模式转换为组态模式，为此，必须按住模式转换键至少5秒钟，直至完成转换。

组态参数主要包括：

a.执行结构的类型(角行程或直行程)

b.反馈角度(30°和90°)

c.行程值

d.自动初始化

e.手动初始化

f.输入电流范围

g.正反作用

h.阀门禁闭功能

在组态模式下能改变定位器的参数值，使用模式键可选择下一个参数，如果在按模式键(＜5s)的同时按住-1键，则以相反次序选择参数。利用+1按键或-1按键可改变参数值。

(4)液晶显示程序

液晶模块LCM046具有较小的尺寸，且功耗很低，功能强大，所以，系统设计时，没有利用MSP430单片机内置的液晶驱动模块，而采用基于I²C总线的连接方式，其流程图如图5所示。

Claims (10)

1.一种智能型二线制电气阀门定位器，包括控制电路单元、I/P电气转换单元和阀位检测反馈单元，其特征在于，所述智能电气阀门定位器控制电路单元还包括电源转换电路和微处理器控制单元，所述I/P电气转换单元还包括由两个压电阀组构成的气路控制及放大部分，所述阀位检测反馈单元还包括反馈电位器和阀位反馈杠杆；输入信号与阀位反馈信号一同进入所述智能电气阀门定位器控制电路的微处理器控制单元，进行比较运算，根据两者的偏差输出一控制信号到I/P电气转换单元，控制I/P电气转换单元的输出气压及气动调节阀的阀杆运动，阀杆的行程同时反馈到控制电路单元，形成闭环控制。

2.如权利要求1所述的智能型二线制电气阀门定位器，其特征在于，所述控制电路单元的电源转换电路，包括极性保护和电源前端抗干扰单元、线性电源产生6V电源电路单元、取样电路单元、高端电流检测电路单元、开关电容电压倒相器产生3V电源单元、电感型开关模式DC-DC变换器实现24V电源单元、2.5V电压基准以及过电压保护单元。

3.如权利要求2所述的智能型二线制电气阀门定位器，其特征在于，所述线性电源产生6V电源电路单元中，取样电阻连接在所述极性保护和电源前端抗干扰单元的输出端，其另一端与一提供6V电源的齐纳二极管正端相连，该齐纳二极管另一端接地，并且于该电路单元中分别设置两个与该齐纳二极管并联的电容。

4.如权利要求2所述的智能型二线制电气阀门定位器，其特征在于，所述取样电路单元中，在电源电路的前端串联一取样电阻，取样电阻两端通过差动放大器放大，送入微处理器进行采样，该取样电阻为康铜丝制作的电阻。

5.如权利要求2所述的智能型二线制电气阀门定位器，其特征在于，所述高端电流检测电路单元采用带缓冲输出的高边电流检测放大器。

6.如权利要求2所述的智能型二线制电气阀门定位器，其特征在于，所述开关电容电压倒相器产生3V电源单元开关电容式电压倒相器max1720。

7.如权利要求2所述的智能型二线制电气阀门定位器，其特征在于，所述过电压保护单元，充电泵运算放大器作为比较器，其负端接2.5基准、正端接6V电源的分压値，运算放大器的输出端输出低电平，场效应管不导通，则各电源电路保持工作状态。当齐纳二极管不能正常稳压时，正端电压高于负端，输出端输出高电平，场效应管导通，则并联电阻的另一端电压钳位在零电位，自动关断开关电源的升、降压电路。

8.如权利要求1所述的智能型二线制电气阀门定位器，其特征在于，所述控制电路单元的微处理器控制单元，采用带有FLASH的MSP430F149超低功耗单片机。

9.一种智能型二线制电气阀门定位器控制方法，在控制电路单元利用微处理器通过数据采集、按键中断及液晶显示操作，实现通过按键进行各模式之间的切换，执行相应的动作和控制策略，参数显示，其特征在于，该方法包括以下步骤：

关闭系统看门狗时钟发生器，停止定时，并开启全局中断；

端口初始化；

调用液晶显示子程序，显示操作结果；

进行A/D通道选择，时钟、定时时间设置，并开启A/D中断；

设置按键时钟、设置定时时间，开启按键中断；

进入本发明的低功耗模式；

判断当前的是否到A/D中断定时时间；

      如A/D中断定时已到，则进入A/D中断子程序；

      执行A/D中断子程序；

      中断返回，等待满足下一次定时时间；

      否则，判断当前时间是否已到按键中断定时；

          如此时按键中断定时已到，则进入按键中断子程序；

          执行按键中断子程序，中断返回，等待下一次定时时间到。

10.如权利要求9所述的智能型二线制电气阀门定位器控制方法，其中所述A/D中断处理子程序，更包括以下步骤：

进行输入信号采样；

判断当前是否为采用P6.4采样通道；

    如是，则保存当前采样的A/D转换结果；

        判断已完成5次采样；

            如是，则进行数字滤波处理；

            对数字滤波输出结果进行线性化处理；

        输出信号结果设置AD1；

        如否，则进一步判断当前采用的是否P6.5采样通道；

        若未满足5次采样，继续完成信号采样；

如果当前采样通道不是P6.4，则继续判断当前采样通道是否P6.5；

    如果是，则保存当前采样结果的A/D转换结果；

    判断是否完成5次采样；

        如是，则进行数字滤波；

        及线性化处理；

        并设置此输出信号结果；

如果采样次数未满足5次，则继续采样。

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