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作者：Abdulkadir Cakir, Firat Yucel和Hakan Calis 4~20mA電流環(huán)路被廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化系統中的通信。本文討論了基于低成本微控制器的電流環(huán)路校準器的設計與實(shí)現，這些校準器主要用于測試和校準通過(guò)4~20mA電流環(huán)路標準通信的系統。 這次任務(wù)的目的是降低這些設備的成本，進(jìn)而降低其銷(xiāo)售價(jià)格。所設計設備的電流源分辨率為0.001mA。它能以階梯或斜坡函數格式自動(dòng)化地或通過(guò)數字鍵盤(pán)以人工方式輸入電流值來(lái)測量并提供所需要的4~20mA范圍內的電流。 4~20mA電流環(huán)路是在工業(yè)應用中發(fā)送傳感器信息的一種基本方法。傳感器是一種用來(lái)測量溫度、壓力、速度和流體流動(dòng)等物理參數的器件。大多數過(guò)程自動(dòng)化傳感器使用4~20mA的電流環(huán)路接口實(shí)現標準化。這種接口一般用于通過(guò)電流環(huán)路向遠端站點(diǎn)發(fā)送傳感器值(見(jiàn)圖1)。 
圖1：電流環(huán)路系統縱覽。 如果將電壓值用于發(fā)送過(guò)程，那么隨著(zhù)載體阻抗和距離的遞增，電壓會(huì )下降。為了防止出現這種負面效應，業(yè)界對4~20mA電流環(huán)路進(jìn)行了標準化。 業(yè)界有許多系統遵循4~20mA電流環(huán)路標準。4~20mA電流環(huán)路校準器就是用于測試和校準這些系統。4~20mA電流環(huán)路是這樣設計的：當傳感器接收到最小值時(shí)，環(huán)路電流是4mA；當傳感器達到最大值時(shí)，環(huán)路電流變成20mA。因此4mA被認為是起點(diǎn)(0%讀數)，20mA是滿(mǎn)刻度讀數(100%)。在這種條件下，0mA值被解釋為通信中斷。也就是說(shuō)，0至4mA范圍被稱(chēng)為零或偏移量，4至20mA范圍被稱(chēng)為發(fā)送器的正常覆蓋范圍。 4~20mA電流環(huán)路電路由4部分組成，分別是傳感器/轉換器、發(fā)送器、接收器和電流源，見(jiàn)圖2。傳感器或換能器測量物理參數幅度，并轉換為電壓。發(fā)送器將來(lái)自傳感器的電壓信息轉換為4~20mA電流值。接收器在收到4~20mA電流值后將它轉換回電壓，并發(fā)送給過(guò)程控制器或指示器。電流源也提供電流環(huán)路。每個(gè)環(huán)路中至少有一個(gè)接收器，它可以是一個(gè)指示器(一臺儀表或一個(gè)數字顯示器)、一個(gè)圖表記錄器、一個(gè)RTU或PLC輸入電路、閥門(mén)致動(dòng)器等。
圖2：4-20mA電流環(huán)路的接口。 4~20mA電流環(huán)路有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：受噪聲影響較小，能夠將信號發(fā)送給距離較遠的設備，信號僅受限于電流源，因此不存在信號丟失，也能夠控制斷線(xiàn)。由于電流環(huán)路的最低值是4mA，因此信號傳輸線(xiàn)斷開(kāi)被認為是0mA。 在設計和測試帶傳感器的工業(yè)設備時(shí)，我們可以使用電流環(huán)路校準器并依據傳感器可能有的值來(lái)觀(guān)察系統行為。 校準器產(chǎn)生而且也讀取4~20mA范圍內的電流值。對于圖2所示的系統，電流環(huán)路校準器可以通過(guò)取代發(fā)送器和接收器來(lái)判斷過(guò)程控制器在遠程系統的不同過(guò)程條件(如10%、50%和77%范圍內的溫度值)下的行為。 在商用化市場(chǎng)中，存在許多類(lèi)型且具有不同規格的4~20mA電流環(huán)路校準器，它們的價(jià)格高達2,000美元。本次研究的目的是要降低這些設備的成本，從而降低其銷(xiāo)售價(jià)格。 大多數商用化校準器都有基于模擬或階梯/斜坡函數進(jìn)行調整的屬性。本次研究旨在開(kāi)發(fā)出一種能夠在足夠短的時(shí)間內通過(guò)鍵盤(pán)輸入方法調整到目標電流值的校準器。另外，所開(kāi)發(fā)的設備應能夠產(chǎn)生具有足夠精度的電流值，并能根據階梯/斜坡函數進(jìn)行自動(dòng)或手工調整。 在科學(xué)文獻中有許多與本研究工作相關(guān)的出版物，比如具有0~20kA值的電流調整系統，用于大電流/電源轉換器的10mA直流電流源，通用CMOS電流源等，但沒(méi)有一個(gè)可直接用于4~20mA電路環(huán)路。本次實(shí)現的設備具有上述電流環(huán)路標準中規定的很高精度，還能夠完成許多功能，如發(fā)送器、接收器、電流源以及與這個(gè)標準相關(guān)的測量。另外，根據這個(gè)標準中的模擬值，我們開(kāi)發(fā)了一種基于數字接口微控制器的系統。這樣做的主要理由是數字系統工作穩定，較少受環(huán)境條件(噪聲、熱量等)的影響，并且更容易使用。 校準器的規范 首先我們來(lái)了解一下商用校準器的屬性，見(jiàn)圖3。
圖3：商用電流環(huán)路校準器例子。 這些設備的一般屬性有： 在4~20mA范圍內的電流產(chǎn)生和讀��； 0~20V工作電壓； 電流源分辨率為0.001mA； 電流讀取精度為0.012%； 9V堿性電池； 允許使用240V交流； 在LCD指示器上以百分比(%)指示電流值(也存在使用條形圖案的產(chǎn)品)； 使用兩線(xiàn)發(fā)送器。 電流環(huán)路校準器的設計 這次設計的系統由數字鍵盤(pán)、編碼器、微控制器、數字/模擬轉換器(DAC)、電流源、模擬/數字轉換器(ADC)和LCD指示器組成(見(jiàn)圖4)。我們使用PIC16F877微控制器控制系統。PIC16F877是一種40引腳、帶8位CMOS閃存的微控制器。選擇這種微控制器的理由是，它具有足夠多的輸入端口用于LCD、鍵盤(pán)和數字/模擬轉換器，還有一個(gè)串行外設接口(SPI)、一個(gè)用于鍵盤(pán)的中斷源、一個(gè)內部模擬/數字轉換器(ADC)，最后是低成本。
圖4：系統框圖。 對于電流源來(lái)說(shuō)，需要輸出電流在4mA至20mA范圍內的微控制器控制的DAC�；谶@個(gè)目的，我們使用了一個(gè)數字化可編程的AD420芯片，該芯片采用ΣΔ架構，具有16位精度，并提供電流輸出功能和SPI接口。 我們還使用模擬/數字轉換器測量電流。PIC16F877內部的模擬/數字轉換器具有10位分辨率，可以測量0至5V的電壓值。電流流經(jīng)0.47Ω電阻，并利用同相放大器放大到0~5V電平。另外，我們還使用了4x3的數字鍵盤(pán)和16x2大小而且帶HD44780接口的GDM1602B指示器。 本次設計的設備有兩種模式：第一種模式產(chǎn)生大小由用戶(hù)輸入的電流，第二種模式讀取從外部電流環(huán)路檢測到的電流。在電流源模式，從鍵盤(pán)輸入的電流信息被送往微控制器并通過(guò)解碼器分析。由微控制器決定了的電流信息再通過(guò)SPI協(xié)議發(fā)送到DAC，然后產(chǎn)生4-20mA范圍內的目標電流值。在測量模式，連接輸入端的外部電流環(huán)值將顯示在LCD指示器上。 嵌入式軟件設計 我們在Code Composer Studio(CCS)環(huán)境中用PIC C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)微控制器上運行的嵌入式軟件。在微控制器上運行的軟件接收校準器是否在用戶(hù)選擇的電流源或電流測量模式下工作的信息。圖5顯示了我們開(kāi)發(fā)的主程序流程圖。
圖5：主程序流程圖。 從主流程圖可以看出，#鍵實(shí)現的是“取消”或“刪除”任務(wù)，并重復這個(gè)任務(wù)。另外，*鍵具有在任何時(shí)刻返回主干程序的功能。 電流源模式 在電流源模式，嵌入式程序根據圖6所示的流程圖運行。從這個(gè)流程圖可以看出，首先，用戶(hù)要輸入一個(gè)電流值，其中小數點(diǎn)左邊兩位，小數點(diǎn)右邊三位(精度為0.1%)。如果在輸入階段輸入了錯誤的值，用戶(hù)可以按#鍵取消這個(gè)值。如果想要一步步地處理，那么整個(gè)過(guò)程可以用5個(gè)值完成：4mA、8mA、12mA、16mA和20mA。
圖6：電流源程序的流程圖。 在輸入完電流值后，數據將通過(guò)SPI協(xié)議傳送給AD420集成電路并啟動(dòng)電流產(chǎn)生過(guò)程。不管是在輸入電流值期間還是在產(chǎn)生該電流值后，加載進(jìn)*鍵和#鍵的功能都不會(huì )改變，只會(huì )執行。這些功能是： 不管何時(shí)只要按下*鍵，系統就會(huì )返回到模式選擇菜單(主菜單) 不管何時(shí)只要按下#鍵，都會(huì )進(jìn)行清屏，然后提供電流值輸入界面 一旦電流值的小數點(diǎn)右邊三位輸入完后，電流就會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生，等整個(gè)過(guò)程成功完成后，還會(huì )在LCD上的電流值旁邊顯示“OK”標記。如果用戶(hù)輸入的電流值超出范圍，即小于4mA或大于20mA，LCD上將顯示“超出輸出范圍”的警告消息。 電流測量模式 在電流測量模式時(shí)，由電壓放大層產(chǎn)生的電平被模擬/數字轉換器讀取，然后在屏幕上顯示測量出的電流值，見(jiàn)圖7所示的流程圖。
圖7：電流測量模式下的程序流程圖。 鍵盤(pán)中斷 在鍵盤(pán)接口中，我們使用了PIC16F877的“根據狀態(tài)改變(change on-state)”中斷源來(lái)檢測是否有鍵按下。利用這個(gè)中斷源，當微控制器的B輸入端口的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，中斷將自動(dòng)啟動(dòng)。這樣，當設備不在使用時(shí)，微控制器將進(jìn)入睡眠模式以節省功耗。 電流源與測量 如圖8所示，微控制器的數字輸出通過(guò)SPI協(xié)議接口連接到帶16位CMOS電流輸出的數字/模擬轉換器電路(AD420)。
圖8：DAC框圖。 通過(guò)這個(gè)電路就能獲得4~20mA范圍(取決于范圍選擇)內的電流輸出值。SPI是微控制器的一種串行接口協(xié)議，能夠同步收發(fā)8位數據。 為了進(jìn)行電流測量，我們使用了微控制器內部的模擬/數字轉換器模塊。轉換過(guò)程達到10位分辨率以上。我們是通過(guò)將電流流經(jīng)0.47Ω電阻然后再送到微控制器上的ADC實(shí)現電流測量的。 所設計設備的靈敏度 本研究報告中使用的數模轉換器(DAC)是16位分辨率，在4-20mA范圍用的就是這個(gè)分辨率。我們可以用公式1確定獲得的電流源靈敏度(Ss)：
我們可以認為，發(fā)送給DAC的數據發(fā)生的±1LSB變化是由輸出端的±244.14nA差異造成的。但是，鑒于電流值只能輸入小數點(diǎn)后三位這個(gè)事實(shí)，電流源分辨率是0.001mA。我們可以在嵌入式軟件上調整這個(gè)精度值。 為了實(shí)現電流測量，電流需要流經(jīng)一個(gè)阻值非常小的電阻，然后必須對這個(gè)電阻上的電壓進(jìn)行測量。在電流測量期間，需將電流測量設備串接到電路。因此可以預見(jiàn)的是，設備內部阻抗不會(huì )影響到電路，或者至少這個(gè)阻抗的影響是很小的。本例中的電流電壓轉換使用的阻值是Rx = 0.47Ω。作為使用低值電阻的結果，在最大電流值時(shí)獲得的電壓值(Vacq)也是非常小的(參見(jiàn)公式2)。
為了將這個(gè)低電壓提升到0~5V范圍，我們用LF351設計了一個(gè)同相放大器電路。用公式3可以計算這個(gè)放大器的增益(G)，其中Vo代表輸出電壓，Vi代表輸入電壓。
最終結果是，在電流測量實(shí)現過(guò)程中達到的分辨率為10位，同時(shí)我們可以計算出測量精度(Sm)，見(jiàn)公式4。
對于4~20mA范圍來(lái)說(shuō)，這個(gè)值對應了足夠高的靈敏度。由于所用運放的特性和噪聲效應，這個(gè)靈敏度比會(huì )有所下降。 在數字/模擬轉換過(guò)程結束時(shí)，就可以獲得帶模擬直流電平的電流。但要想用這里獲得的電流驅動(dòng)所連負載并保持線(xiàn)性工作，還存在一些最大值限制問(wèn)題。其中一個(gè)限制是電流環(huán)電壓一致性。這個(gè)術(shù)語(yǔ)描述了與電流輸出端相連的負載上施加的最大電壓。 在第一次試驗時(shí)，我們使用的是DAC908。這個(gè)集成電路的特點(diǎn)是速度快，輸出電流分辨率為8位。該集成電路的輸出一致性限制是在-1.0V和+1.25V之間。這意味著(zhù)電流輸出端可以連接的最大負載電阻為1.25V/20mA=62.5Ω。在本例中，這個(gè)值對于使用24V電壓實(shí)現電流環(huán)路的過(guò)程控制系統來(lái)說(shuō)太低了。另外，這個(gè)集成電路是一種快速DAC。這樣，由于高工作頻率而很難獲得這個(gè)頻率值�；谏鲜鲞@些理由，我們決定放棄DAC908，取而代之的是另一種數字/模擬轉換器AD420。 所設計設備的基本屬性 圖9顯示了所設計的校準器的內部電路。所設計設備的輸入輸出范圍都是4~20mA。室溫下所做試驗的輸出電流誤差是±1nA。對于12V環(huán)路電壓來(lái)說(shuō)最大負載驅動(dòng)能力是600Ω。對于4~20mA電流產(chǎn)生范圍，要求24V的工作電壓。外部可用環(huán)路電壓最大值為32V。此次實(shí)現的校準器的總成本約50~100美元。因此，在設備成本方面獲得的好處是非常大的。
圖9：所設計的校準器縱覽。 本次設計的設備目前只提供英文支持。下一階段我們將做出以下改進(jìn)：用百分比模式顯示，多語(yǔ)言支持，觸摸板輸入。表1總結了所開(kāi)發(fā)設備的參數。 本文總結 在這份研究報告中，我們設計并實(shí)現了具有0.001mA分辨率的低成本電流環(huán)路校準設備。該設備可用于測試和校準采用4~20mA電流標準通信的系統。電流環(huán)路是工業(yè)控制應用的一個(gè)重要方面，因為通過(guò)這個(gè)方式，信號遠距離傳送時(shí)受噪聲的影響會(huì )較少。本次開(kāi)發(fā)的設備還可以用來(lái)仿真使用4~20mA電流環(huán)路的裝置中的傳感器。 雖然校準設備的銷(xiāo)售價(jià)格高達2,000美元，但作為這份研究報告的結果，所設計設備的成本約為50至100美元。該設備基于微控制器技術(shù)設計，帶一個(gè)LCD顯示器和一個(gè)數字控制鍵盤(pán)，能夠產(chǎn)生和測量4~20mA標準的信號，適用于具有兩線(xiàn)連接的系統。 表1：所設計設備的參數。
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| 前幾天在福祿克買(mǎi)了個(gè)壓力校準器，質(zhì)量很不錯。感覺(jué)樓主說(shuō)的電流環(huán)路校準器很不錯，想具體了解下，但還是不太懂，樓主能否通過(guò)與壓力校準器的對比來(lái)具體解釋下。 |
