基于低成本MCU的电流环路校准器与嵌入式软件设计的介绍

　　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。

　　FIGURE 2. The Fluke 707 loop calibrator sells for around $700 to $800.

　　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。