測量各類非電物理量的4~20mA電流環(huán)采集應(yīng)用方案

工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)才能傳輸?shù)綆装倜淄獾谋O(jiān)控室或顯示設(shè)備上。因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流信號(hào)不易受干擾，工業(yè)上廣泛采用4~20mA電流來傳輸模擬量。4mA表示0%的信號(hào)，可以區(qū)分0%信號(hào)和電路斷開；20mA表示100%的信號(hào)，其通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。而控制端需要采集這個(gè)模擬電流量，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理。

1、硬件方案

工業(yè)上除特殊要求需要自己設(shè)計(jì)模擬電流采集電路以外，通用的比較高效、低成本的模擬電流采集方案一般是直接購買專門廠商的模擬量采集模塊（俗稱亞當(dāng)模塊）。配合上工控主機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)下圖所示的采集流程：電流變送器將傳感器返回的非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA的模擬電流信號(hào)進(jìn)行傳輸；亞當(dāng)模塊是一個(gè)ADC模塊，采集4~20mA的模擬電流，轉(zhuǎn)換成數(shù)值存放于寄存器中；主機(jī)通過RS485總線訪問各個(gè)模塊，得到相應(yīng)寄存器的數(shù)值進(jìn)行處理。

圖1模擬電流采集示意圖

針對(duì)4~20mA模擬電流的采集，市場上有許多廠商都能提供不同性能、不同價(jià)格的亞當(dāng)模塊，這些模塊通過RS485總線接口與主機(jī)通信，通信協(xié)議是modbus RTU。英創(chuàng)主板提供RS485接口和modbus庫文件，能夠作為485主機(jī)，與亞當(dāng)模塊構(gòu)成模擬電流采集系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。目前，我們對(duì)市場上滿足4~20mA輸入范圍要求的一些亞當(dāng)模塊做了比較詳細(xì)的評(píng)估，英創(chuàng)主板都能與它們正常通信，完成對(duì)模擬電流的采集處理。在9600波特率下，我們用5位半電流表對(duì)各個(gè)廠商不同產(chǎn)品的測量精度進(jìn)行了評(píng)估（最低0.2%），具體情況及其他參數(shù)見表1，不同需求的客戶可以參考下表進(jìn)行亞當(dāng)模塊的選型。

表1模擬電流采集模塊參數(shù)比較

（綠色部分為實(shí)際測量結(jié)果，僅供參考）

1. 研華的ADAM-4107+只要1146元，與ADAM-4117的區(qū)別主要是通道不能單獨(dú)設(shè)定輸入范圍，采樣率只有10Hz（total），用戶可以評(píng)估一下

2. 實(shí)際就是單端，只是為每個(gè)通道提供了一個(gè)單獨(dú)的地信號(hào)接頭

3. 大于30，9600波特率受限于讀函數(shù)一次耗時(shí)約30ms，最大能測到約30Hz；當(dāng)波特率在115200時(shí)，讀一次時(shí)間約20ms，最大約能測50Hz，100次讀耗時(shí)不到2s，結(jié)果93次不同，表明差不多有50次/秒。受限實(shí)驗(yàn)條件，不能驗(yàn)證是否能達(dá)到100次/秒

4. adam-4117測電流要打開外殼，改變跳線，在PC上設(shè)置地址采樣率（轉(zhuǎn)換速率）等參數(shù)，可以只enable一個(gè)通道，則這個(gè)通道的采樣率就是總的采樣率（大于30Hz/total測試過程通注釋3），如果enable多個(gè)通道，則每個(gè)通道平分總的采樣率

5. 誤差除以量程為測量精度，5位半電流表測量值作為真實(shí)值；可以通過測試最大電流的采樣值和最小電流的采樣值重新標(biāo)定采樣值范圍，修改換算公式的值來進(jìn)一步改善

6. 各個(gè)模塊設(shè)置不同的地址后，兩兩聯(lián)網(wǎng)，485通信沒有問題

此外，市場上還有更低成本的低精度、單通道亞當(dāng)模塊，只要其支持標(biāo)準(zhǔn)的modbus RTU協(xié)議，物理通信接口為RS485就能配合英創(chuàng)主板使用，設(shè)置成不同地址后，可以組建RS485網(wǎng)絡(luò)，通過英創(chuàng)提供的modbus庫函數(shù)進(jìn)行訪問。不同模塊與英創(chuàng)主板的連接如圖2所示。

圖2不同亞當(dāng)模塊與英創(chuàng)主板連接

2、應(yīng)用軟件編程

Modbus是工業(yè)控制器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中最常用的協(xié)議之一，其通信采用主從方式，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)主設(shè)備及最多達(dá)255臺(tái)從設(shè)備。工業(yè)上一般使用modbus RTU模式，以16進(jìn)制傳送數(shù)據(jù)，一個(gè)字節(jié)就是一幀，效率高于modbus ASCII模式。一個(gè)典型的modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包由若干幀組成，如圖3所示：

圖3modbus數(shù)據(jù)包格式

其中，第1幀為從機(jī)地址，第2幀為功能碼，第3、4幀為主機(jī)欲訪問的從機(jī)的起始寄存器地址，第5、6幀為要訪問的寄存器個(gè)數(shù)，最后兩幀為16位CRC校驗(yàn)碼。對(duì)任何一個(gè) ModBus協(xié)議數(shù)據(jù)包，其第 1、2幀及最后兩幀的意義都是相同的，其他幀則根據(jù)功能碼不同而有所區(qū)別。

英創(chuàng)提供的libmbusmaster.a庫實(shí)現(xiàn)了modbus協(xié)議，支持常用功能碼，詳細(xì)介紹請(qǐng)查閱網(wǎng)站文章《ModBus通訊協(xié)議軟件包》、《英創(chuàng)嵌入式Linux工控主板支持Modbus主控協(xié)議軟件》、《Linux下的Modbus設(shè)備方協(xié)議軟件介紹》。

下面就linux系統(tǒng)下，使用英創(chuàng)提供的libmbusmaster.a庫文件進(jìn)行模擬電流采集應(yīng)用編程作簡單介紹，更詳細(xì)的過程請(qǐng)參考具體例程。

1、打開串口設(shè)備

sprintf( hostName, "ttyS3:9600-8-1-0");

hPort = mbusMaster_OpenPortProtocol( hostName );

2、設(shè)置modbus通信超時(shí)時(shí)間

i1 = mbusMaster_SetTimeout( hPort, 2000 );

printf( "SetTimeout:%d\n", i1 );

3、讀取亞當(dāng)模塊轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，處理讀取值

result = mbusMaster_ReadMultipleRegisters( hPort, moduleAddr, startAddr+channelStart,dataArr,channelCnt);

if (result == 0)

{

sampleCnt++;

printf("*****sample %d*****\n",sampleCnt);

for (i1 = 0; i1 < channelCnt; i1++)

{

value[i1] = CalculateCircuit(moduleID, dataArr[i1]);

printf("[%d]:\t%hd\t0x%04x\t%0.4f\n", i1 , dataArr[i1], dataArr[i1], value[i1]);

}

}

else

{

strcpy( str,mbusMaster_GetErrorText( result ) );

i1 = strlen( str );

if( i1>0 )

{

printf( "%s!\n", str );

}

}

其中，CalculateCircuit是根據(jù)不同模塊的轉(zhuǎn)換公式將讀到的數(shù)值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流值。在使用mbusMaster_ReadMultipleRegisters讀取寄存器值時(shí)，要參照各模塊的手冊(cè)，傳遞不同的寄存器映射地址。如果讀取失敗，可以通過mbusMaster_GetErrorText函數(shù)提示失敗原因。

4、關(guān)閉串口設(shè)備

mbusMaster_ClosePortProtocol( hPort );

如果用戶對(duì)4~20mA模擬電流采集應(yīng)用方案感興趣，可以聯(lián)系我們。我們將提供表1所有的模塊信息及程序示例。

3、總結(jié)

目前，市面上亞當(dāng)模塊（模擬數(shù)采模塊）在價(jià)格、性能、通道數(shù)上有非常靈活的選擇，單通道的亞當(dāng)模塊最低不到￥100元就能買到。綜合我們的測試情況來看，主控部分使用英創(chuàng)主板，模擬數(shù)據(jù)采集部分使用市面上成熟的亞當(dāng)模塊，是工業(yè)上一種快速構(gòu)建4~20mA模擬電流采集硬件平臺(tái)的方案，并且具有很高的靈活性，能夠滿足用戶的不同需求。此外，英創(chuàng)的libmbusmaster.a庫文件實(shí)現(xiàn)了modbus協(xié)議的常用功能，用戶只要簡單的調(diào)用幾個(gè)函數(shù)，就能完成軟件上的編寫，大大減少了整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度。因此，此方案具有簡單、高效、靈活、低成本的優(yōu)勢。