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作者：Abdulkadir Cakir, Firat Yucel和Hakan Calis 4~20mA電流環路被廣泛用于工業自動化系統中的通信。本文討論了基于低成本微控制器的電流環路校準器的設計與實現，這些校準器主要用于測試和校準通過4~20mA電流環路標準通信的系統。 這次任務的目的是降低這些設備的成本，進而降低其銷售價格。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化地或通過數字鍵盤以人工方式輸入電流值來測量并提供所需要的4~20mA范圍內的電流。 4~20mA電流環路是在工業應用中發送傳感器信息的一種基本方法。傳感器是一種用來測量溫度、壓力、速度和流體流動等物理參數的器件。大多數過程自動化傳感器使用4~20mA的電流環路接口實現標準化。這種接口一般用于通過電流環路向遠端站點發送傳感器值(見圖1)。 
圖1：電流環路系統縱覽。 如果將電壓值用于發送過程，那么隨著載體阻抗和距離的遞增，電壓會下降。為了防止出現這種負面效應，業界對4~20mA電流環路進行了標準化。 業界有許多系統遵循4~20mA電流環路標準。4~20mA電流環路校準器就是用于測試和校準這些系統。4~20mA電流環路是這樣設計的：當傳感器接收到最小值時，環路電流是4mA；當傳感器達到最大值時，環路電流變成20mA。因此4mA被認為是起點(0%讀數)，20mA是滿刻度讀數(100%)。在這種條件下，0mA值被解釋為通信中斷。也就是說，0至4mA范圍被稱為零或偏移量，4至20mA范圍被稱為發送器的正常覆蓋范圍。 4~20mA電流環路電路由4部分組成，分別是傳感器/轉換器、發送器、接收器和電流源，見圖2。傳感器或換能器測量物理參數幅度，并轉換為電壓。發送器將來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，并發送給過程控制器或指示器。電流源也提供電流環路。每個環路中至少有一個接收器，它可以是一個指示器(一臺儀表或一個數字顯示器)、一個圖表記錄器、一個RTU或PLC輸入電路、閥門致動器等。
圖2：4-20mA電流環路的接口。 4~20mA電流環路有許多優點，比如：受噪聲影響較小，能夠將信號發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。由于電流環路的最低值是4mA，因此信號傳輸線斷開被認為是0mA。 在設計和測試帶傳感器的工業設備時，我們可以使用電流環路校準器并依據傳感器可能有的值來觀察系統行為。 校準器產生而且也讀取4~20mA范圍內的電流值。對于圖2所示的系統，電流環路校準器可以通過取代發送器和接收器來判斷過程控制器在遠程系統的不同過程條件(如10%、50%和77%范圍內的溫度值)下的行為。 在商用化市場中，存在許多類型且具有不同規格的4~20mA電流環路校準器，它們的價格高達2,000美元。本次研究的目的是要降低這些設備的成本，從而降低其銷售價格。 大多數商用化校準器都有基于模擬或階梯/斜坡函數進行調整的屬性。本次研究旨在開發出一種能夠在足夠短的時間內通過鍵盤輸入方法調整到目標電流值的校準器。另外，所開發的設備應能夠產生具有足夠精度的電流值，并能根據階梯/斜坡函數進行自動或手工調整。 在科學文獻中有許多與本研究工作相關的出版物，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，但沒有一個可直接用于4~20mA電路環路。本次實現的設備具有上述電流環路標準中規定的很高精度，還能夠完成許多功能，如發送器、接收器、電流源以及與這個標準相關的測量。另外，根據這個標準中的模擬值，我們開發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 首先我們來了解一下商用校準器的屬性，見圖3。
圖3：商用電流環路校準器例子。 這些設備的一般屬性有： 在4~20mA范圍內的電流產生和讀取； 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品)； 使用兩線發送器。 電流環路校準器的設計 這次設計的系統由數字鍵盤、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、鍵盤和數字/模擬轉換器，還有一個串行外設接口(SPI)、一個用于鍵盤的中斷源、一個內部模擬/數字轉換器(ADC)，最后是低成本。
圖4：系統框圖。 對于電流源來說，需要輸出電流在4mA至20mA范圍內的微控制器控制的DAC。基于這個目的，我們使用了一個數字化可編程的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：第一種模式產生大小由用戶輸入的電流，第二種模式讀取從外部電流環路檢測到的電流。在電流源模式，從鍵盤輸入的電流信息被送往微控制器并通過解碼器分析。由微控制器決定了的電流信息再通過SPI協議發送到DAC，然后產生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)環境中用PIC C語言開發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顯示了我們開發的主程序流程圖。
圖5：主程序流程圖。 從主流程圖可以看出，#鍵實現的是“取消”或“刪除”任務，并重復這個任務。另外，*鍵具有在任何時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。從這個流程圖可以看出，首先，用戶要輸入一個電流值，其中小數點左邊兩位，小數點右邊三位(精度為0.1%)。如果在輸入階段輸入了錯誤的值，用戶可以按#鍵取消這個值。如果想要一步步地處理，那么整個過程可以用5個值完成：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SPI協議傳送給AD420集成電路并啟動電流產生過程。不管是在輸入電流值期間還是在產生該電流值后，加載進*鍵和#鍵的功能都不會改變，只會執行。這些功能是： 不管何時只要按下*鍵，系統就會返回到模式選擇菜單(主菜單) 不管何時只要按下#鍵，都會進行清屏，然后提供電流值輸入界面 一旦電流值的小數點右邊三位輸入完后，電流就會自動產生，等整個過程成功完成后，還會在LCD上的電流值旁邊顯示“OK”標記。如果用戶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，由電壓放大層產生的電平被模擬/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。 鍵盤中斷 在鍵盤接口中，我們使用了PIC16F877的“根據狀態改變(change on-state)”中斷源來檢測是否有鍵按下。利用這個中斷源，當微控制器的B輸入端口的狀態發生改變時，中斷將自動啟動。這樣，當設備不在使用時，微控制器將進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SPI協議接口連接到帶16位CMOS電流輸出的數字/模擬轉換器電路(AD420)。
圖8：DAC框圖。 通過這個電路就能獲得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議，能夠同步收發8位數據。 為了進行電流測量，我們使用了微控制器內部的模擬/數字轉換器模塊。轉換過程達到10位分辨率以上。我們是通過將電流流經0.47Ω電阻然后再送到微控制器上的ADC實現電流測量的。 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，發送給DAC的數據發生的±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后三位這個事實，電流源分辨率是0.001mA。我們可以在嵌入式軟件上調整這個精度值。 為了實現電流測量，電流需要流經一個阻值非常小的電阻，然后必須對這個電阻上的電壓進行測量。在電流測量期間，需將電流測量設備串接到電路。因此可以預見的是，設備內部阻抗不會影響到電路，或者至少這個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，在最大電流值時獲得的電壓值(Vacq)也是非常小的(參見公式2)。
為了將這個低電壓提升到0~5V范圍，我們用LF351設計了一個同相放大器電路。用公式3可以計算這個放大器的增益(G)，其中Vo代表輸出電壓，Vi代表輸入電壓。
最終結果是，在電流測量實現過程中達到的分辨率為10位，同時我們可以計算出測量精度(Sm)，見公式4。
對于4~20mA范圍來說，這個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，這個靈敏度比會有所下降。 在數字/模擬轉換過程結束時，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所連負載并保持線性工作，還存在一些最大值限制問題。其中一個限制是電流環電壓一致性。這個術語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，我們使用的是DAC908。這個集成電路的特點是速度快，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載電阻為1.25V/20mA=62.5Ω。在本例中，這個值對于使用24V電壓實現電流環路的過程控制系統來說太低了。另外，這個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環路電壓來說最大負載驅動能力是600Ω。對于4~20mA電流產生范圍，要求24V的工作電壓。外部可用環路電壓最大值為32V。此次實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：用百分比模式顯示，多語言支持，觸摸板輸入。表1總結了所開發設備的參數。 本文總結 在這份研究報告中，我們設計并實現了具有0.001mA分辨率的低成本電流環路校準設備。該設備可用于測試和校準采用4~20mA電流標準通信的系統。電流環路是工業控制應用的一個重要方面，因為通過這個方式，信號遠距離傳送時受噪聲的影響會較少。本次開發的設備還可以用來仿真使用4~20mA電流環路的裝置中的傳感器。 雖然校準設備的銷售價格高達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設計，帶一個LCD顯示器和一個數字控制鍵盤，能夠產生和測量4~20mA標準的信號，適用于具有兩線連接的系統。 表1：所設計設備的參數。
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