4~20mA电流环路被广泛用于工业主动化体系中的通讯。本文评论了依据低本钱微操控器的电流环路校准器的规划与完结，这些校准器首要用于测验和校准经过4~20mA电流环路规范通讯的体系。
这次使命的意图是下降这些设备的本钱，然后下降其销售价格。所规划设备的电流源分辨率为0.001mA。它能以阶梯或斜坡函数格局主动化地或经过数字键盘以人工办法输入电流值来丈量并供给所需求的4~20mA规模内的电流。
4~20mA电流环路是在工业运用中发送传感器信息的一种根本办法。传感器是一种用来丈量温度、压力、速度和流体活动等物理参数的器材。大多数进程主动化传感器运用4~20mA的电流环路接口完结规范化。这种接口一般用于经过电流环路向远端站点发送传感器值（见图1）。
图1：电流环路体系纵览。
假如将电压值用于发送进程，那么跟着载体阻抗和间隔的递加，电压会下降。为了避免呈现这种负面效应，业界对4~20mA电流环路进行了规范化。
业界有许多体系遵从4~20mA电流环路规范。4~20mA电流环路校准器便是用于测验和校准这些体系。4~20mA电流环路是这样规划的：当传感器接纳到最小值时，环路电流是4mA；当传感器到达最大值时，环路电流变成20mA。因而4mA被以为是起点（0%读数），20mA是满刻度读数（100%）。在这种条件下，0mA值被解释为通讯中止。也便是说，0至4mA规模被称为零或偏移量，4至20mA规模被称为发送器的正常掩盖规模。
4~20mA电流环路电路由4部分组成，分别是传感器/转化器、发送器、接纳器和电流源，见图2。传感器或换能器丈量物理参数起伏，并转化为电压。发送器将来自传感器的电压信息转化为4~20mA电流值。接纳器在收到4~20mA电流值后将它转化回电压，并发送给进程操控器或指示器。电流源也供给电流环路。每个环路中至少有一个接纳器，它可所以一个指示器（一台外表或一个数字显现器）、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电流环路有许多长处，比方：受噪声影响较小，能够将信号发送给间隔较远的设备，信号仅受限于电流源，因而不存在信号丢掉，也能够操控断线。由于电流环路的最低值是4mA，因而信号传输线断开被以为是0mA。
在规划和测验带传感器的工业设备时，咱们能够运用电流环路校准器并依据传感器或许有的值来调查体系行为。
校准器发生并且也读取4~20mA规模内的电流值。关于图2所示的体系，电流环路校准器能够经过替代发送器和接纳器来判别进程操控器在长途体系的不同进程条件（如10%、50%和77%规模内的温度值）下的行为。
在商用化商场中，存在许多类型且具有不同规范的4~20mA电流环路校准器，它们的价格高达2，000美元。本次研讨的意图是要下降这些设备的本钱，然后下降其销售价格。
大多数商用化校准器都有依据模仿或阶梯/斜坡函数进行调整的特点。本次研讨旨在开宣布一种能够在满足短的时间内经过键盘输入办法调整到方针电流值的校准器。别的，所开发的设备应能够发生具有满足精度的电流值，并能依据阶梯/斜坡函数进行主动或手艺调整。
在科学文献中有许多与本研讨作业相关的出版物，比方具有0~20kA值的电流调整体系，用于大电流/电源转化器的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。本次完结的设备具有上述电流环路规范中规则的很高精度，还能够完结许多功用，如发送器、接纳器、电流源以及与这个规范相关的丈量。别的，依据这个规范中的模仿值，咱们开发了一种依据数字接口微操控器的体系。这样做的首要理由是数字体系作业安稳，较少受环境条件（噪声、热量等）的影响，并且更简单运用。
校准器的规范
首要咱们来了解一下商用校准器的特点，见图3。
图3：商用电流环路校准器比如。
这些设备的一般特点有：
在4~20mA规模内的电流发生和读取；
0~20V作业电压；
电流源分辨率为0.001mA；
电流读取精度为0.012%；
9V碱性电池；
答应运用240V沟通；
在LCD指示器上以百分比（%）指示电流值（也存在运用条形图画的产品）；
运用两线发送器。
电流环路校准器的规划
这次规划的体系由数字键盘、编码器、微操控器、数字/模仿转化器（DAC）、电流源、模仿/数字转化器（ADC）和LCD指示器组成（见图4）。咱们运用PIC16F877微操控器操控体系。PIC16F877是一种40引脚、带8位CMOS闪存的微操控器。挑选这种微操控器的理由是，它具有满足多的输入端口用于LCD、键盘和数字/模仿转化器，还有一个串行外设接口（SPI）、一个用于键盘的中止源、一个内部模仿/数字转化器（ADC），终究是低本钱。
图4：体系框图。
关于电流源来说，需求输出电流在4mA至20mA规模内的微操控器操控的DAC。依据这个意图，咱们运用了一个数字化可编程的AD420芯片，该芯片选用ΣΔ架构，具有16位精度，并供给电流输出功用和SPI接口。
咱们还运用模仿/数字转化器丈量电流。PIC16F877内部的模仿/数字转化器具有10位分辨率，能够丈量0至5V的电压值。电流流经0.47Ω电阻，并运用同相扩大器扩大到0~5V电平。别的，咱们还运用了4×3的数字键盘和16×2巨细并且带HD44780接口的GDM1602B指示器。
本次规划的设备有两种形式：第一种形式发生巨细由用户输入的电流，第二种形式读取从外部电流环路检测到的电流。在电流源形式，从键盘输入的电流信息被送往微操控器并经过解码器剖析。由微操控器决议了的电流信息再经过SPI协议发送到DAC，然后发生4-20mA规模内的方针电流值。在丈量形式，衔接输入端的外部电流环值将显现在LCD指示器上。
嵌入式软件规划
咱们在Code Composer Studio（CCS）环境顶用PIC C言语开发微操控器上运转的嵌入式软件。在微操控器上运转的软件接纳校准器是否在用户挑选的电流源或电流丈量形式下作业的信息。图5显现了咱们开发的主程序流程图。
图5：主程序流程图。
从主流程图能够看出，#键完结的是“撤销”或“删去”使命，并重复这个使命。别的，*键具有在任何时刻回来骨干程序的功用。
电流源形式
在电流源形式，嵌入式程序依据图6所示的流程图运转。从这个流程图能够看出，首要，用户要输入一个电流值，其间小数点左面两位，小数点右边三位（精度为0.1%）。假如在输入阶段输入了过错的值，用户能够按#键撤销这个值。假如想要一步步地处理，那么整个进程能够用5个值完结：4mA、8mA、12mA、16mA和20mA。
图6：电流源程序的流程图。
在输入完电流值后，数据将经过SPI协议传送给AD420集成电路并发动电流发生进程。不论是在输入电流值期间仍是在发生该电流值后，加载进*键和#键的功用都不会改动，只会履行。这些功用是：
不论何时只要按下*键，体系就会回来到形式挑选菜单（主菜单）
不论何时只要按下#键，都会进行清屏，然后供给电流值输入界面
一旦电流值的小数点右边三位输入完后，电流就会主动发生，等整个进程成功完结后，还会在LCD上的电流值周围显现“OK”符号。假如用户输入的电流值超出规模，即小于4mA或大于20mA，LCD大将显现“超出输出规模”的正告音讯。
电流丈量形式
在电流丈量形式时，由电压扩大层发生的电平被模仿/数字转化器读取，然后在屏幕上显现丈量出的电流值，见图7所示的流程图。
图7：电流丈量形式下的程序流程图。
键盘中止
在键盘接口中，咱们运用了PIC16F877的“依据状况改动（change on-state）”中止源来检测是否有键按下。运用这个中止源，当微操控器的B输入端口的状况发生改动时，中止将主动发动。这样，当设备不在运用时，微操控器将进入睡觉形式以节约功耗。
电流源与丈量
如图8所示，微操控器的数字输出经过SPI协议接口衔接到带16位CMOS电流输出的数字/模仿转化器电路（AD420）。
图8：DAC框图。
经过这个电路就能取得4~20mA规模（取决于规模挑选）内的电流输出值。SPI是微操控器的一种串行接口协议，能够同步收发8位数据。
为了进行电流丈量，咱们运用了微操控器内部的模仿/数字转化器模块。转化进程到达10位分辨率以上。咱们是经过将电流流经0.47Ω电阻然后再送到微操控器上的ADC完结电流丈量的。
所规划设备的灵敏度
本研讨报告中运用的数模转化器（DAC）是16位分辨率，在4-20mA规模用的便是这个分辨率。咱们能够用公式1确认取得的电流源灵敏度（Ss）：
咱们能够以为，发送给DAC的数据发生的±1LSB改变是由输出端的±244.14nA差异形成的。可是，鉴于电流值只能输入小数点后三位这个现实，电流源分辨率是0.001mA。咱们能够在嵌入式软件上调整这个精度值。
为了完结电流丈量，电流需求流经一个阻值十分小的电阻，然后有必要对这个电阻上的电压进行丈量。在电流丈量期间，需将电流丈量设备串接到电路。因而能够预见的是，设备内部阻抗不会影响到电路，或许至少这个阻抗的影响是很小的。本例中的电流电压转化运用的阻值是Rx = 0.47Ω。作为运用低值电阻的成果，在最大电流值时取得的电压值（Vacq）也是十分小的（拜见公式2）。
为了将这个低电压提升到0~5V规模，咱们用LF351规划了一个同相扩大器电路。用公式3能够核算这个扩大器的增益（G），其间Vo代表输出电压，Vi代表输入电压。
终究成果是，在电流丈量完结进程中到达的分辨率为10位，一起咱们能够核算出丈量精度（Sm），见公式4。
关于4~20mA规模来说，这个值对应了满足高的灵敏度。由于所用运放的特性和噪声效应，这个灵敏度比会有所下降。
在数字/模仿转化进程结束时，就能够取得带模仿直流电平的电流。但要想用这儿取得的电流驱动所连负载并坚持线性作业，还存在一些最大值约束问题。其间一个约束是电流环电压一致性。这个术语描绘了与电流输出端相连的负载上施加的最大电压。
在第一次实验时，咱们运用的是DAC908。这个集成电路的特点是速度快，输出电流分辨率为8位。该集成电路的输出一致性约束是在-1.0V和+1.25V之间。这意味着电流输出端能够衔接的最大负载电阻为1.25V/20mA=62.5Ω。在本例中，这个值关于运用24V电压完结电流环路的进程操控体系来说太低了。别的，这个集成电路是一种快速DAC。这样，由于高作业频率而很难取得这个频率值。依据上述这些理由，咱们决议抛弃DAC908，取而代之的是另一种数字/模仿转化器AD420。
所规划设备的根本特点
图9显现了所规划的校准器的内部电路。所规划设备的输入输出规模都是4~20mA。室温下所做实验的输出电流差错是±1nA。关于12V环路电压来说最大负载驱动才能是600Ω。关于4~20mA电流发生规模，要求24V的作业电压。外部可用环路电压最大值为32V。此次完结的校准器的总本钱约50~100美元。因而，在设备本钱方面取得的优点是十分大的。
图9：所规划的校准器纵览。
本次规划的设备现在只供给英文支撑。下一阶段咱们将做出以下改善：用百分比形式显现，多言语支撑，触摸板输入。表1总结了所开发设备的参数。
本文总结
在这份研讨报告中，咱们规划并完结了具有0.001mA分辨率的低本钱电流环路校准设备。该设备可用于测验和校准选用4~20mA电流规范通讯的体系。电流环路是工业操控运用的一个重要方面，由于经过这个办法，信号远间隔传送时受噪声的影响会较少。本次开发的设备还能够用来仿真运用4~20mA电流环路的设备中的传感器。
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