低成本電流環(huán)路校準(zhǔn)設(shè)備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

4~20mA電流環(huán)路被廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)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(zhǔn)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，這些校準(zhǔn)器主要用于測(cè)試和校準(zhǔn)通過(guò)4~20mA電流環(huán)路標(biāo)準(zhǔn)通信的系統(tǒng)。

這次任務(wù)的目的是降低這些設(shè)備的成本，進(jìn)而降低其銷(xiāo)售價(jià)格。所設(shè)計(jì)設(shè)備的電流源分辨率為0.001mA。它能以階梯或斜坡函數(shù)格式自動(dòng)化地或通過(guò)數(shù)字鍵盤(pán)以人工方式輸入電流值來(lái)測(cè)量并提供所需要的4~20mA范圍內(nèi)的電流。

4~20mA電流環(huán)路是在工業(yè)應(yīng)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(cè)量溫度、壓力、速度和流體流動(dòng)等物理參數(shù)的器件。大多數(shù)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(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。這種接口一般用于通過(guò)電流環(huán)路向遠(yuǎn)端站點(diǎn)發(fā)送傳感器值（見(jiàn)圖1）。

圖1：電流環(huán)路系統(tǒng)縱覽。

如果將電壓值用于發(fā)送過(guò)程，那么隨著載體阻抗和距離的遞增，電壓會(huì)下降。為了防止出現(xiàn)這種負(fù)面效應(yīng)，業(yè)界對(duì)4~20mA電流環(huán)路進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

業(yè)界有許多系統(tǒng)遵循4~20mA電流環(huán)路標(biāo)準(zhǔn)。4~20mA電流環(huán)路校準(zhǔn)器就是用于測(cè)試和校準(zhǔn)這些系統(tǒng)。4~20mA電流環(huán)路是這樣設(shè)計(jì)的：當(dāng)傳感器接收到最小值時(shí)，環(huán)路電流是4mA；當(dāng)傳感器達(dá)到最大值時(shí)，環(huán)路電流變成20mA。因此4mA被認(rèn)為是起點(diǎn)（0%讀數(shù)），20mA是滿(mǎn)刻度讀數(shù)（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(zhuǎn)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(cè)量物理參數(shù)幅度，并轉(zhuǎn)換為電壓。發(fā)送器將來(lái)自傳感器的電壓信息轉(zhuǎn)換為4~20mA電流值。接收器在收到4~20mA電流值后將它轉(zhuǎn)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(tái)儀表或一個(gè)數(shù)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?qū)?a target="_blank">信號(hào)發(fā)送給距離較遠(yuǎn)的設(shè)備，信號(hào)僅受限于電流源，因此不存在信號(hào)丟失，也能夠控制斷線。由于電流環(huán)路的最低值是4mA，因此信號(hào)傳輸線斷開(kāi)被認(rèn)為是0mA。

在設(shè)計(jì)和測(cè)試帶傳感器的工業(yè)設(shè)備時(shí)，我們可以使用電流環(huán)路校準(zhǔn)器并依據(jù)傳感器可能有的值來(lái)觀察系統(tǒng)行為。

校準(zhǔn)器產(chǎn)生而且也讀取4~20mA范圍內(nèi)的電流值。對(duì)于圖2所示的系統(tǒng)，電流環(huán)路校準(zhǔn)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(yuǎn)程系統(tǒng)的不同過(guò)程條件（如10%、50%和77%范圍內(nèi)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(guī)格的4~20mA電流環(huán)路校準(zhǔn)器，它們的價(jià)格高達(dá)2，000美元。本次研究的目的是要降低這些設(shè)備的成本，從而降低其銷(xiāo)售價(jià)格。

大多數(shù)商用化校準(zhǔn)器都有基于模擬或階梯/斜坡函數(shù)進(jìn)行調(diào)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(nèi)通過(guò)鍵盤(pán)輸入方法調(diào)整到目標(biāo)電流值的校準(zhǔn)器。另外，所開(kāi)發(fā)的設(shè)備應(yīng)能夠產(chǎn)生具有足夠精度的電流值，并能根據(jù)階梯/斜坡函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)或手工調(diào)整。

在科學(xué)文獻(xiàn)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(diào)整系統(tǒng)，用于大電流/電源轉(zhuǎn)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(xiàn)的設(shè)備具有上述電流環(huán)路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的測(cè)量。另外，根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的模擬值，我們開(kāi)發(fā)了一種基于數(shù)字接口微控制器的系統(tǒng)。這樣做的主要理由是數(shù)字系統(tǒng)工作穩(wěn)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(zhǔn)器的規(guī)范

首先我們來(lái)了解一下商用校準(zhǔn)器的屬性，見(jiàn)圖3。

圖3：商用電流環(huán)路校準(zhǔn)器例子。

這些設(shè)備的一般屬性有：

在4~20mA范圍內(nèi)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）；

使用兩線發(fā)送器。

電流環(huán)路校準(zhǔn)器的設(shè)計(jì)

這次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由數(shù)字鍵盤(pán)、編碼器、微控制器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）、電流源、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)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(tǒng)。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(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，還有一個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）、一個(gè)用于鍵盤(pán)的中斷源、一個(gè)內(nèi)部模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），最后是低成本。

圖4：系統(tǒng)框圖。

對(duì)于電流源來(lái)說(shuō)，需要輸出電流在4mA至20mA范圍內(nèi)的微控制器控制的DAC?；谶@個(gè)目的，我們使用了一個(gè)數(shù)字化可編程的AD420芯片，該芯片采用ΣΔ架構(gòu)，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(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量電流。PIC16F877內(nèi)部的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有10位分辨率，可以測(cè)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(shù)字鍵盤(pán)和16x2大小而且?guī)D44780接口的GDM1602B指示器。

本次設(shè)計(jì)的設(shè)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(cè)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(nèi)的目標(biāo)電流值。在測(cè)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(shè)計(jì)

我們?cè)贑ode Composer Studio（CCS）環(huán)境中用PIC C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)微控制器上運(yùn)行的嵌入式軟件。在微控制器上運(yùn)行的軟件接收校準(zhǔn)器是否在用戶(hù)選擇的電流源或電流測(cè)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(xiàn)的是“取消”或“刪除”任務(wù)，并重復(fù)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(jù)圖6所示的流程圖運(yùn)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(shù)點(diǎn)左邊兩位，小數(shù)點(diǎn)右邊三位（精度為0.1%）。如果在輸入階段輸入了錯(cuò)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(shù)據(jù)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(zhí)行。這些功能是：

不管何時(shí)只要按下*鍵，系統(tǒng)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(shù)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(biāo)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(cè)量模式

在電流測(cè)量模式時(shí)，由電壓放大層產(chǎn)生的電平被模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器讀取，然后在屏幕上顯示測(cè)量出的電流值，見(jiàn)圖7所示的流程圖。

圖7：電流測(cè)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(jù)狀態(tài)改變（change on-state）”中斷源來(lái)檢測(cè)是否有鍵按下。利用這個(gè)中斷源，當(dāng)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(dāng)設(shè)備不在使用時(shí)，微控制器將進(jìn)入睡眠模式以節(jié)省功耗。

電流源與測(cè)量

如圖8所示，微控制器的數(shù)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(shù)字/模擬轉(zhuǎn)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(nèi)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(shù)據(jù)。

為了進(jìn)行電流測(cè)量，我們使用了微控制器內(nèi)部的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊。轉(zhuǎn)換過(guò)程達(dá)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(xiàn)電流測(cè)量的。

所設(shè)計(jì)設(shè)備的靈敏度

本研究報(bào)告中使用的數(shù)模轉(zhuǎn)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(rèn)為，發(fā)送給DAC的數(shù)據(jù)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(shù)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(diào)整這個(gè)精度值。

為了實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量，電流需要流經(jīng)一個(gè)阻值非常小的電阻，然后必須對(duì)這個(gè)電阻上的電壓進(jìn)行測(cè)量。在電流測(cè)量期間，需將電流測(cè)量設(shè)備串接到電路。因此可以預(yù)見(jiàn)的是，設(shè)備內(nèi)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(zhuǎn)換使用的阻值是Rx = 0.47Ω。作為使用低值電阻的結(jié)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(shè)計(jì)了一個(gè)同相放大器電路。用公式3可以計(jì)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(jié)果是，在電流測(cè)量實(shí)現(xiàn)過(guò)程中達(dá)到的分辨率為10位，同時(shí)我們可以計(jì)算出測(cè)量精度（Sm），見(jiàn)公式4。

對(duì)于4~20mA范圍來(lái)說(shuō)，這個(gè)值對(duì)應(yīng)了足夠高的靈敏度。由于所用運(yùn)放的特性和噪聲效應(yīng)，這個(gè)靈敏度比會(huì)有所下降。

在數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)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(qū)動(dòng)所連負(fù)載并保持線性工作，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(fù)載上施加的最大電壓。

在第一次試驗(yàn)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。這意味著電流輸出端可以連接的最大負(fù)載電阻為1.25V/20mA=62.5Ω。在本例中，這個(gè)值對(duì)于使用24V電壓實(shí)現(xiàn)電流環(huán)路的過(guò)程控制系統(tǒng)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。基于上述這些理由，我們決定放棄DAC908，取而代之的是另一種數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器AD420。

所設(shè)計(jì)設(shè)備的基本屬性

圖9顯示了所設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)器的內(nèi)部電路。所設(shè)計(jì)設(shè)備的輸入輸出范圍都是4~20mA。室溫下所做試驗(yàn)的輸出電流誤差是±1nA。對(duì)于12V環(huán)路電壓來(lái)說(shuō)最大負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力是600Ω。對(duì)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(xiàn)的校準(zhǔn)器的總成本約50~100美元。因此，在設(shè)備成本方面獲得的好處是非常大的。

圖9：所設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)器縱覽。

本次設(shè)計(jì)的設(shè)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(jié)了所開(kāi)發(fā)設(shè)備的參數(shù)。

本文總結(jié)

在這份研究報(bào)告中，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有0.001mA分辨率的低成本電流環(huán)路校準(zhǔn)設(shè)備。該設(shè)備可用于測(cè)試和校準(zhǔn)采用4~20mA電流標(biāo)準(zhǔn)通信的系統(tǒng)。電流環(huán)路是工業(yè)控制應(yīng)用的一個(gè)重要方面，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這個(gè)方式，信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送時(shí)受噪聲的影響會(huì)較少。本次開(kāi)發(fā)的設(shè)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。

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