怎樣設(shè)計(jì)高精度可靠的4-20mA通信模式？

4-20mA(1-5V.DC)信號(hào)制是國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)：過(guò)程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)從DDZ-Ⅲ型電動(dòng)儀表開(kāi)始采用這一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制，儀表傳輸信號(hào)采用4-20mA.DC，聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用1-5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號(hào)系統(tǒng)。使用4-20mA模擬量進(jìn)行通信時(shí)，無(wú)論是發(fā)射端還是接收端的電路設(shè)計(jì)相對(duì)于數(shù)字通信都會(huì)比較復(fù)雜，那為什么還要使用呢?本文將結(jié)合設(shè)計(jì)案例帶你了解4-20mA通信。

1、為什么使用4-20mA通信?

在遠(yuǎn)距離、復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)合常常伴隨有較大的干擾源，磁場(chǎng)輻射干擾、傳導(dǎo)干擾等，如果使用傳統(tǒng)的數(shù)字通信容易受到干擾，因?yàn)榻邮斩说妮斎胱杩篃o(wú)窮大，在受到微弱噪聲信號(hào)干擾后，會(huì)產(chǎn)生較高的電壓噪聲，不利于數(shù)據(jù)傳輸以及接口的安全使用規(guī)范。而使用模擬量(4-20mA)進(jìn)行通信時(shí)，由于耦合的噪聲信號(hào)較為微弱，通常為nA級(jí)別，則不受此影響，而且電流源驅(qū)動(dòng)沒(méi)有線壓降問(wèn)題。

2、4-20mA代表了什么數(shù)據(jù)意義?

基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)文件提出的《過(guò)程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)(第一部分)：直流電流信號(hào)(GB/T 3369.1-2008/IEC 60381-1:1982)》中規(guī)定了4-20mA信號(hào)為首選直流電流通信信號(hào)，如表一：直流電流信號(hào)范圍所示。文件中規(guī)定在采用4-20mA通信信號(hào)的情況下，4mA代表原始數(shù)據(jù)的0刻度，20mA代表原始數(shù)據(jù)的滿(mǎn)刻度，0mA作為斷電、斷線檢測(cè)。

如遠(yuǎn)端PT100熱電阻溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)4-20mA通信方式將遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳回PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度變化監(jiān)測(cè)。PT100的測(cè)量范圍為-200-850℃，則4mA代表-200℃，20mA代表850℃，實(shí)際溫度計(jì)算公式如下：

T=(850+200)℃/(20-4)mA*(I-4mA)-200℃

其中：T為當(dāng)前測(cè)試溫度;I為當(dāng)前采集電流;一般用低于2mA代表熱電阻測(cè)溫模塊系統(tǒng)斷電或者通信線路斷線。

3、4-20mA通信系統(tǒng)的一般電路設(shè)計(jì)

4-20mA模擬量通信電路如圖二 4-20mA通信電路架構(gòu)所示，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)前端由傳感器組成，經(jīng)由變送器將非標(biāo)準(zhǔn)的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4-20mA通信信號(hào)，再發(fā)送到遠(yuǎn)端控制設(shè)備，由接收器接收上傳至PLC控制端。

目前市面上有較多的傳感器設(shè)備或者執(zhí)行器的成品模塊已經(jīng)集成了4-20mA通信功能，用戶(hù)只需要自己搭建接收模塊即可。接收模塊正如下圖二 4-20mA通信電路架構(gòu)所示，包含了采樣器、信號(hào)調(diào)理電路、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)以及MCU(數(shù)據(jù)傳輸以及處理)。但如果4-20mA通信攜帶的是一個(gè)高精度、數(shù)據(jù)范圍比較寬的數(shù)據(jù)時(shí)(比如上個(gè)章節(jié)所提及的遠(yuǎn)端PT100熱電阻溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量范圍-200-850℃，精度0.1%±1℃取最大值)，接收模塊精度達(dá)不到0.1%，則會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸誤差，發(fā)揮不了傳感器性能，那怎么去確保接收模塊的采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確呢?

4-20mA通信電路架構(gòu)

首先我們先來(lái)分析一下接收鏈路可能導(dǎo)致采集精度誤差的原因：a、采樣電阻的初始精度以及工作在極限環(huán)境(高低溫max)下時(shí)，電阻溫漂引起采樣電壓的漂移;b、調(diào)理電路，該電路限制采樣精度的因素比較多，如運(yùn)放的失調(diào)電壓、輸出噪聲、衰減或增益網(wǎng)絡(luò)誤差引起ADC端的電壓采集誤差;c、ADC單元電路誤差，如基準(zhǔn)漂移、基準(zhǔn)噪聲，電源噪聲、PCB布局等這都是外部影響ADC轉(zhuǎn)換精度因素;d、ADC自身所帶來(lái)的轉(zhuǎn)換精度誤差，如ADC的失調(diào)誤差、增益誤差，無(wú)噪聲分辨率低、積分非線性差等問(wèn)題，帶來(lái)轉(zhuǎn)換精度誤差。

為了縮短用戶(hù)的開(kāi)發(fā)周期， ZLG推出了一款帶有隔離功能的高精度模擬量采集模塊(TPS08U)一次性解決了如上所有問(wèn)題。該模塊在設(shè)計(jì)上，考慮了如上的所有因素，采用極低溫飄的電阻，號(hào)稱(chēng)零漂移的運(yùn)放，24bit分辨率的ADC，在極優(yōu)的參數(shù)下選取最具性?xún)r(jià)比元器件，并優(yōu)化layout走線布局等實(shí)現(xiàn)以最小體積達(dá)成8通道測(cè)量。同時(shí)，每個(gè)模塊出廠均通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試校準(zhǔn)，保證出廠的每個(gè)模塊都能達(dá)到指標(biāo)要求。

4、TPS08U模塊使用簡(jiǎn)介

TPS08U典型電路如下圖所示，只需簡(jiǎn)單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)8通道的模擬信號(hào)采集(4-20mA and 0-5V)，精度0.1%(電壓為滿(mǎn)量程精度)。模塊電源采用3.3V供電，通信接口SPI，同時(shí)，模塊集成了電源及通信隔離電路(隔離DC:2500V)，尺寸大小長(zhǎng)*寬*高：31.8mm*20.3mm*6.5mm。詳細(xì)資料可向當(dāng)?shù)劁N(xiāo)售獲取。