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基于低成本MCU的电流环路校准器的设计与实现

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作者：Abdulkadir Cakir, Firat Yucel和Hakan Calis

土耳其 Isparta、Süleyman Demirel大学与土耳其Denizli Pamukkale大学供稿

4~20mA电流环路被广泛用于工业自动化系统中的通信。本文讨论了基于低成本微控制器的电流环路校准器的设计与实现，这些校准器主要用于测试和校准通过4~20mA电流环路标准通信的系统。

这次任务的目的是降低这些设备的成本，进而降低其销售价格。所设计设备的电流源分辨率为0.001mA。它能以阶梯或斜坡函数格式自动化地或通过数字键盘以人工方式输入电流值来测量并提供所需要的4~20mA范围内的电流。

4~20mA电流环路是在工业应用中发送传感器信息的一种基本方法。传感器是一种用来测量温度、压力、速度和流体流动等物理参数的器件。大多数过程自动化传感器使用4~20mA的电流环路接口实现标准化。这种接口一般用于通过电流环路向远端站点发送传感器值(见图1)。

图1：电流环路系统纵览。

如果将电压值用于发送过程，那么随着载体阻抗和距离的递增，电压会下降。为了防止出现这种负面效应，业界对4~20mA电流环路进行了标准化。

业界有许多系统遵循4~20mA电流环路标准。4~20mA电流环路校准器就是用于测试和校准这些系统。4~20mA电流环路是这样设计的：当传感器接收到最小值时，环路电流是4mA；当传感器达到最大值时，环路电流变成20mA。因此4mA被认为是起点(0%读数)，20mA是满刻度读数(100%)。在这种条件下，0mA值被解释为通信中断。也就是说，0至4mA范围被称为零或偏移量，4至20mA范围被称为发送器的正常覆盖范围。

4~20mA电流环路电路由4部分组成，分别是传感器/转换器、发送器、接收器和电流源，见图2。传感器或换能器测量物理参数幅度，并转换为电压。发送器将来自传感器的电压信息转换为4~20mA电流值。接收器在收到4~20mA电流值后将它转换回电压，并发送给过程控制器或指示器。电流源也提供电流环路。每个环路中至少有一个接收器，它可以是一个指示器(一台仪表或一个数字显示器)、一个图表记录器、一个RTU或PLC输入电路、阀门致动器等。

图2：4-20mA电流环路的接口。

4~20mA电流环路有许多优点，比如：受噪声影响较小，能够将信号发送给距离较远的设备，信号仅受限于电流源，因此不存在信号丢失，也能够控制断线。由于电流环路的最低值是4mA，因此信号传输线断开被认为是0mA。

在设计和测试带传感器的工业设备时，我们可以使用电流环路校准器并依据传感器可能有的值来观察系统行为。

校准器产生而且也读取4~20mA范围内的电流值。对于图2所示的系统，电流环路校准器可以通过取代发送器和接收器来判断过程控制器在远程系统的不同过程条件(如10%、50%和77%范围内的温度值)下的行为。

在商用化市场中，存在许多类型且具有不同规格的4~20mA电流环路校准器，它们的价格高达2,000美元。本次研究的目的是要降低这些设备的成本，从而降低其销售价格。

大多数商用化校准器都有基于模拟或阶梯/斜坡函数进行调整的属性。本次研究旨在开发出一种能够在足够短的时间内通过键盘输入方法调整到目标电流值的校准器。另外，所开发的设备应能够产生具有足够精度的电流值，并能根据阶梯/斜坡函数进行自动或手工调整。

在科学文献中有许多与本研究工作相关的出版物，比如具有0~20kA值的电流调整系统，用于大电流/电源转换器的10mA直流电流源，通用CMOS电流源等，但没有一个可直接用于4~20mA电路环路。本次实现的设备具有上述电流环路标准中规定的很高精度，还能够完成许多功能，如发送器、接收器、电流源以及与这个标准相关的测量。另外，根据这个标准中的模拟值，我们开发了一种基于数字接口微控制器的系统。这样做的主要理由是数字系统工作稳定，较少受环境条件(噪声、热量等)的影响，并且更容易使用。

校准器的规范

首先我们来了解一下商用校准器的属性，见图3。

图3：商用电流环路校准器例子。