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智能二线制设备中的低功耗设计
[正文]:摘要：以智能电气阀门定位器的控制电路为例，讨论了低功率二线制的一种实现方法。
由于是4～20ma二线制供电，所以在设计中采取了一系列措施，实现了系统的低功耗运行，达到了二线制供电的基本指标。
关键词：二线制 低功耗 智能阀门定位器 符合工业标准的4～20ma电流信号用于非智能型设备的控制已有数十年的历史。
由于微控制器（mcu）技术的飞速发展，出现了符合4～20ma工业标准、不使用额外电源供电的智能型设备，被称作智能型二级制设备。
所谓二线制，是指整个设备与外界之间只有两根导线相关联，电源和信号线共用这两根导线，设备的供电完全从控制信号中取出。
这种智能二线制设备除了布线简单的优点外，更主要的是它易于达到"本质安全"的防火防爆要求，在石油、化工等工控领域有广泛的应用前景。
由于此类设备应能在低于4ma的电流下正常可靠地工作，就对系统的低功耗设计提出了严格的要求，给系统设计增加了一定难度。
控制电路的构成 智能二线制电-气阀门定位器有两路输入信号：一路是4～20ma的电流信号，表示阀门的开度（0～100%）；另一路是由旋转电位器给出的阀门实际开度反馈信号。
当二者不一致时，经mcu进行误差运算给出两路控制信号，打开或关闭相关的进气或排气控制阀，实现对气动阀门的自动调节功能。
由压电陶瓷片组成的控制阀的驱动需要24v的高压，记录控制参数需要eeprom，要有lcd（液晶显示器）和按键来提供人机接口，信号采集需要两路12位a/d变换，单片机作为系统控制的核心。
所有这些器件及其外围电路的总体供电电流应小于4ma。
电-气阀门定位器的输入只是一个4～20ma的电流信号，因此我们首先精心设计了电源变换器部分，把输入的电流变换成3.3v和24v两组电压，供微控制器和其他外围器件使用。
这部分电路相当于一个简单的开关电源，其基本思想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、滤波以及线性稳压得到所需的电压值，从而起到一个直流变压（dc/dc变换）的作用。
在实现时，需要自己绕制变压器。
低功耗设计 对于二线制系统，尽量低的功耗是系统设计中所追求的目标，也是设计的主要任务之一。
系统所允许的最大功耗可以这样估算：若允许输入电流有10%的波动，信号线上的最小电流实际上只有3.6ma。
假定在输入端能取出10v电压，则整个系统的功耗不应大于36mw。
如此低的功耗，要供给mcu、adc、lcd、eeprom运放等外围器件，以及产生高电压驱动压电陶瓷阀，就要求在器件选择上和系统设计上多下功夫。
在系统实现上，采取了多种措施来降低功耗。
·在电路设计上，尽量减少功率消耗，提高各部分的供电效率。
·在电路的实现上，选用低功耗或微功耗器件。
在电路中使用的12位串行模数转换器ltc1594l、运放lt1178、线性稳压器lt1521、eeprom93lc46a等，均为低功耗或微功耗器件。
·降低器件的工作电压。
mcu及其外围器件的工作电压降低到3.3v。
·降低mcu的工作频率。
微控制器的总线频率降低到1.0mhz。
·充分利用器件的省电方式或空闲方式。
很多器件都具有这样的工作方式，很多器件都具有这样的工作方式，如motorola mc68hc05l16在wait方式下功耗降低60^，ltc1594l在空新生方式下的静态电流可降低为1na。
在设计系统软件时进行必要的处理，不用器件时令其进入省电方式或空闲方式，就可以大大降低系统的平均功耗。
下面简单介绍一下电路中使用的低功耗或微功耗器件，它们主要是motorola公司、linear technology公司和microchip公司的产品。
（1）微控制器-mc68hc05l16 motorola公司的mc68hc05l16 8位微控制器，为80引脚qfp封装。
它的工作电压可低至2.2v，具有16k字节rom和512字节片上ram、39条并口线、中断输入端、定时器、简单串行外设接口sspi等。
并且具有低功耗的wait和stop工作方式。
mc68hc05l16是为带有lcd的应用而设计的，主要用来驱动段式lcd，驱动方式为动态扫描。
它可支持多达4个背极和39个前极，总段数156段。
为降低功耗，在mcu的功耗和速度之间取了某种折衷。
我们把mcu的总线频率降低到1mhz，同时把它的工作电压降低到3.3v。
这样，mcu在正常状态下的供电电流典型值1.8ma，wait节电方式下供电电流典型值0.8ma。
（2）微功耗串行adc-tc1594l ltc1594l 是linear techonlogy公司的四通道12位微功耗串行adc。
其转换方式为开关电容、逐次浙进式转换，带有采样保持。
ltc1594l工作电压可低至2.7v，在转换状态时供电电流典型值0.16ma，空闲状态时仅1na。
在使用时需外加参考电压源。
ltc1594l的串行接口线可与支持qspi、spi、microwire等标准的多种微控制器或微处理器进行有效地通信。
另外，ltc1594模拟输入端的高输入阻抗允许在许多应用中直接连接传感器，而不需要加额外的隔离级。
（3）低压差性性稳压器-lt1521 lt1521-3.3是linear technology公司的一种低压差、微功耗线性稳压器。
它可以在稳压压差0.5v时提供300ma的输出电流。
它的工作状态电流12μa，备用状态下6μa，并且耗电电流不会随着压差的增大而改变，因此在许多电流供电和低功耗系统中得到应用。
为保持稳定，输出端只需要1.5μf的电容。
此外，lt1521的另一个特点就是当输入端电压低于输出时，也不会有大的反向电流流时。
这就使得它可以用于后备电源场合，这时它的输出通常被拉高，而输入端相对电压较低或者反向，在这种情况下，只有大约5μa电流从输出端流向大地。
（4）微功耗双运放--lt1178 lt1178是linear techonolgy公司产品。
它在微功耗的同时保持了较高的精度，在5v室温时消耗电流典型值17μa，失调电压30μv，失调电流50pa。
lt1178可以在低至2v的单电源下工作。
（5）微功耗2.5v基准源-lt1004-2.5 lt1004-2.5是linear technology公司产品，它的特点是微功耗、高精度、易于使用。
通常状况下能保证在低达10μa的电流下正常工作，初始精度±20mv，温度系数20ppm/℃。
lt1004可以直接替换lm285系列，同时提供更高的精度和更低的功耗。
（6）1k位串行eeprom--93lc46a eeprom选用了microchip公司的93lc46a，属于低功耗产品。
由于各厂商推出的93lc46产在功耗、电源电压、写入时间、自动擦除等方面性能都不尽相同，所以互相之间一般不应轻易代换。
对于microchip的93lc46a，其结构形式为128×8位，工作电压可低至2.5v，在3v、1mhz下读出电流最大500μa，写入电流1.5ma，单字节写入时间最大6ms。
结语 在一般情况下，通过恒流源向系统提供电流，并可逐渐减小，直至1.8ma时系统仍然正常工作。
这表明此系统不但达到了二线制供电的基本要求，而且还留有一定的裕度。
在对电源电路进行必要的改进后，相信系统还可以在更低的电流下工作。
也就是说，完全可以在此基础上扩充系统功能，比如将来的hart总线或ff总线接口，并且使速度更快、功能更强的mcu的引入成为可能。
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