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摘要：本文剖析智能阀门定位器的电路结构，阐述了智能阀门定位器的基本原理，讲述智能阀门定位器的馈电是从控制信号4---20mA获得能量，通过电源建立电路提供CPU、显示模块、压电阀等各路用电。
关键词：智能阀门定位器；信号4---20mA；单管自激振荡器；微功耗
【中图分类号】TS737+.3
0 引言
智能阀门定位器是气动调节阀的配套产品，长期以来使用的老式阀门定位器是基于模拟信号（多数是4----20mA）和力平衡的原理来工作。它存在精度低，功能少等诸多缺点，不能满足今后总线型仪表的需求。近年来，由于电子技术的飞速发展，低功耗单片机的出现，压电阀的研制成功，智能阀门定位器的应用已经成为现实。因其控制精度高、可靠性好、调试方便、可实现联网远程通讯（总线型仪表）等各项优越的性能，深受用户欢迎。
由于智能阀门定位器刚开始普及，这方面的资料、原理介绍等内容基本很少见到，从事仪表行业的工人、技术人员很少知道智能阀门定位器供电是如何建立，甚至认为不需要电源的错误认识。
2.1各部分功能
阀位反馈的作用让单片机知道阀位的准确位置，及时纠正阀的位置。
复位电路的作用是智能阀门定位器送电时或干扰时迅速复位程序，不死机，保证智能阀门定位器正常工作。通讯模块可以实现远程通讯，和其他智能设备交换信息。
JTAGJ端口是为单片机写入、读出程序和调试程序，提供的人机对话，为设计人员提供的端口。 按键是为了人机对话时使用者输入信息的。
显示模块为工程师或操作者提供智能阀门定位器的各种状态信息和人机对话交流窗。
电源建立部分是为整个智能阀门定位器提供所需的各种直流电压。
2.1智能阀门定位器系统消耗电能情况
就常规而言，控制室为24V直流电源供电，控制室的4---20mA信号所能够提供的功率为96mW---480mW。在有故障时（电流小于4mA），要小于96mW。设计人员设计控制信号在1mA是就能够工作正常，那么控制室的所能够提供的功率为1X24=24mW。目前微功率电源转换效率只能最大做到75%左右，单管自激振荡器提供电路板的能量为24mWx75%=18mW。单片机MSP430F449是微功耗（3V工作电压，活跃时工作电流最大280微安），消耗0.28X3=0.84mW。压电阀所需的驱动电流为nA级电流，几乎可以忽略。显示模块LCM12832ZK的工作电流为1.2mA，消耗1.2mAx3V=3.6mW，消耗的能量占整个智能阀门定位器电路板比例是较大。但电路板消耗能量也远远低18mW。加上选择微功耗器件，合理简化电路结构等。所以此电源转换电路完全能够满足智能阀门定位器所有的电路功耗。
2.2电源建立电路剖析
智能阀门定位器的设计，既可以两线制（两条电流信号线）工作也可以四线制（两条电源供电和两条电流信号线）工作。
当采用四线制时，J1的1、2和4、5做直流24V输入端，1、2接直流24V的正极，4、5接直流24V的负极。R0是限流电阻，选定比较大，使得直流24V电源经限流电阻、三级串联的稳压二极管后，电流值成为大约在4到20mA范围内的一个电流值（通过选取合适R0的阻值，使得电源供给的电流在4---20mA）。这个电流可近似看做一个电流源（电流源也是电源的一种），以便兼容4---20mA电流信号做电源相兼容。三极串联的稳压二极管W1---W12稳出的电压给Q101供电，经单管Q101自激振荡器（70KHZ）产生出两组所需直流电源。4--20mA电流信号从6和7、8输入，6脚为电流的正极输入端。4--20mA电流信号在取样电阻上得到相应的电压信号后，输入单片机的A0端，进行A/D转换，进行数据处理。
W1---W4、W5---W8、W9---W12是三组，每组并联四个稳压二极管，目的是增大稳压功率和稳压电压，三组串联是为了宽范围调整稳压值以适应控制信号4--20MA的变化。这部分电路只是作一个粗略的稳压，稳压后给Q101单管振荡器供电。R22---R25、C5、C6为阻容滤波。T5为震荡三极管。D101、D102、C101、R101为三极管Q101提供偏置电源，R103、R104、R105为三极管的偏置电阻，提供一个合适的震荡偏置电压。TB2为震荡变压器。震荡变压器有两路输出，一路经D103、R106、C103整流输出24V左右不稳电压，供给压电阀。压电阀不需要稳压，工作电压很宽。另一路经D104、C105-C107整流，输出直流5V，再经过低功耗器件三段稳压集成电路IC3（XC6206P3020稳压得到直流3V的电压Vcc，给单片机和显示模块（LCM12832zk）等供电。W101、W102、W103为5V稳压二极管。显示模块所需的4.3V电压直接由W14（1N4689）、R11、Q1（2SC9014）组成的稳压电路供电，减轻震荡变压器损耗，提高效率，给模块背光供电。
Q2 、Q3 、Q4 、Q5及相关电阻 、 电容构成一个宽范围电流（1—25mA）的稳压调整电路。当控制电流大时，电流主要经过W1-4 、W5-8 、W9 -12（经
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过R101的电流相对很小）、R17 、R18 ，在R17 、R18上产生压降就会增高，Q4 、Q5的Ib变大，则Ic也增加，导致Q2 、 Q3 的Vce结压降变小，既W1—4上的压降变小，使得控制信号电流大时，单管振动器工作电压不生高的目的。反之，控制信号电流小时，，单管振动器工作电压也不再降低，达到了一定的稳压效果。R16 、 R19为Q4 、 Q5的偏置电阻，R12 、R14 、R13 、R15为Q2 、Q3的基级分压电阻。
F1与F2是为了保护单片机，避免因电流过大烧毁单片机。F3与 F4是为了保护直流24V电源，避免电压过高烧毁电源建立电路。
3 结束语
智能阀门定位器在石化企业的应用越来越广泛，在石油化工生产中发挥重大作用，本文通过对智能阀门定位器原理进行阐述，整个电路板系统供电剖析，电源建立部分电路结构、每一部分电路特点和工作原理详细分析。使读者对智能阀门定位器工作原理有一个基本了解，对电源的建立有更深刻认识，以便在工作中能熟练操作智能阀门定位器，使之更好地为石油化工生产服务。
参考文献：
1 MSP4系16位超低功耗单片机原理与应用利尔达 策划 沈建华 杨艳琴 霍骁曙编著 清华大学出版社 2004年11月
2 MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机 胡大可 编著 北京航空航天大学出版社 2001年11月
3 MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例 魏小龙 编著 北京航空航天大学出版社 2002年11月
4 脉冲与数字电路 王毓银编著 高等教育出版社 1984年9月
关键词：智能阀门定位器；信号4---20mA；单管自激振荡器；微功耗
【中图分类号】TS737+.3
0 引言
智能阀门定位器是气动调节阀的配套产品，长期以来使用的老式阀门定位器是基于模拟信号（多数是4----20mA）和力平衡的原理来工作。它存在精度低，功能少等诸多缺点，不能满足今后总线型仪表的需求。近年来，由于电子技术的飞速发展，低功耗单片机的出现，压电阀的研制成功，智能阀门定位器的应用已经成为现实。因其控制精度高、可靠性好、调试方便、可实现联网远程通讯（总线型仪表）等各项优越的性能，深受用户欢迎。
由于智能阀门定位器刚开始普及，这方面的资料、原理介绍等内容基本很少见到，从事仪表行业的工人、技术人员很少知道智能阀门定位器供电是如何建立，甚至认为不需要电源的错误认识。
2.1各部分功能
阀位反馈的作用让单片机知道阀位的准确位置，及时纠正阀的位置。
复位电路的作用是智能阀门定位器送电时或干扰时迅速复位程序，不死机，保证智能阀门定位器正常工作。通讯模块可以实现远程通讯，和其他智能设备交换信息。
JTAGJ端口是为单片机写入、读出程序和调试程序，提供的人机对话，为设计人员提供的端口。 按键是为了人机对话时使用者输入信息的。
显示模块为工程师或操作者提供智能阀门定位器的各种状态信息和人机对话交流窗。
电源建立部分是为整个智能阀门定位器提供所需的各种直流电压。
2.1智能阀门定位器系统消耗电能情况
就常规而言，控制室为24V直流电源供电，控制室的4---20mA信号所能够提供的功率为96mW---480mW。在有故障时（电流小于4mA），要小于96mW。设计人员设计控制信号在1mA是就能够工作正常，那么控制室的所能够提供的功率为1X24=24mW。目前微功率电源转换效率只能最大做到75%左右，单管自激振荡器提供电路板的能量为24mWx75%=18mW。单片机MSP430F449是微功耗（3V工作电压，活跃时工作电流最大280微安），消耗0.28X3=0.84mW。压电阀所需的驱动电流为nA级电流，几乎可以忽略。显示模块LCM12832ZK的工作电流为1.2mA，消耗1.2mAx3V=3.6mW，消耗的能量占整个智能阀门定位器电路板比例是较大。但电路板消耗能量也远远低18mW。加上选择微功耗器件，合理简化电路结构等。所以此电源转换电路完全能够满足智能阀门定位器所有的电路功耗。
2.2电源建立电路剖析
智能阀门定位器的设计，既可以两线制（两条电流信号线）工作也可以四线制（两条电源供电和两条电流信号线）工作。
当采用四线制时，J1的1、2和4、5做直流24V输入端，1、2接直流24V的正极，4、5接直流24V的负极。R0是限流电阻，选定比较大，使得直流24V电源经限流电阻、三级串联的稳压二极管后，电流值成为大约在4到20mA范围内的一个电流值（通过选取合适R0的阻值，使得电源供给的电流在4---20mA）。这个电流可近似看做一个电流源（电流源也是电源的一种），以便兼容4---20mA电流信号做电源相兼容。三极串联的稳压二极管W1---W12稳出的电压给Q101供电，经单管Q101自激振荡器（70KHZ）产生出两组所需直流电源。4--20mA电流信号从6和7、8输入，6脚为电流的正极输入端。4--20mA电流信号在取样电阻上得到相应的电压信号后，输入单片机的A0端，进行A/D转换，进行数据处理。
W1---W4、W5---W8、W9---W12是三组，每组并联四个稳压二极管，目的是增大稳压功率和稳压电压，三组串联是为了宽范围调整稳压值以适应控制信号4--20MA的变化。这部分电路只是作一个粗略的稳压，稳压后给Q101单管振荡器供电。R22---R25、C5、C6为阻容滤波。T5为震荡三极管。D101、D102、C101、R101为三极管Q101提供偏置电源，R103、R104、R105为三极管的偏置电阻，提供一个合适的震荡偏置电压。TB2为震荡变压器。震荡变压器有两路输出，一路经D103、R106、C103整流输出24V左右不稳电压，供给压电阀。压电阀不需要稳压，工作电压很宽。另一路经D104、C105-C107整流，输出直流5V，再经过低功耗器件三段稳压集成电路IC3（XC6206P3020稳压得到直流3V的电压Vcc，给单片机和显示模块（LCM12832zk）等供电。W101、W102、W103为5V稳压二极管。显示模块所需的4.3V电压直接由W14（1N4689）、R11、Q1（2SC9014）组成的稳压电路供电，减轻震荡变压器损耗，提高效率，给模块背光供电。
Q2 、Q3 、Q4 、Q5及相关电阻 、 电容构成一个宽范围电流（1—25mA）的稳压调整电路。当控制电流大时，电流主要经过W1-4 、W5-8 、W9 -12（经
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过R101的电流相对很小）、R17 、R18 ，在R17 、R18上产生压降就会增高，Q4 、Q5的Ib变大，则Ic也增加，导致Q2 、 Q3 的Vce结压降变小，既W1—4上的压降变小，使得控制信号电流大时，单管振动器工作电压不生高的目的。反之，控制信号电流小时，，单管振动器工作电压也不再降低，达到了一定的稳压效果。R16 、 R19为Q4 、 Q5的偏置电阻，R12 、R14 、R13 、R15为Q2 、Q3的基级分压电阻。
F1与F2是为了保护单片机，避免因电流过大烧毁单片机。F3与 F4是为了保护直流24V电源，避免电压过高烧毁电源建立电路。
3 结束语
智能阀门定位器在石化企业的应用越来越广泛，在石油化工生产中发挥重大作用，本文通过对智能阀门定位器原理进行阐述，整个电路板系统供电剖析，电源建立部分电路结构、每一部分电路特点和工作原理详细分析。使读者对智能阀门定位器工作原理有一个基本了解，对电源的建立有更深刻认识，以便在工作中能熟练操作智能阀门定位器，使之更好地为石油化工生产服务。
参考文献：
1 MSP4系16位超低功耗单片机原理与应用利尔达 策划 沈建华 杨艳琴 霍骁曙编著 清华大学出版社 2004年11月
2 MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机 胡大可 编著 北京航空航天大学出版社 2001年11月
3 MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例 魏小龙 编著 北京航空航天大学出版社 2002年11月
4 脉冲与数字电路 王毓银编著 高等教育出版社 1984年9月