結(jié)合設計案例帶你了解4-20mA通信

使用4-20mA模擬量進行通信時，無論是發(fā)射端還是接收端的電路設計，相對于數(shù)字通信都會比較復雜，那為什么還要使用呢？本文將結(jié)合設計案例帶你了解4-20mA通信。

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為什么使用4-20mA通信？

在遠距離、復雜的工業(yè)現(xiàn)場應用場合常常伴隨有較大的干擾源，磁場輻射干擾、傳導干擾等，如果使用傳統(tǒng)的數(shù)字通信容易受到干擾，因為接收端的輸入阻抗無窮大，在受到微弱噪聲信號干擾后，會產(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）進行通信時，由于耦合的噪聲信號較為微弱，通常為nA級別，則不受此影響，而且電流源驅(qū)動沒有線壓降問題。

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4-20mA代表了什么數(shù)據(jù)意義？

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

如遠端PT100熱電阻溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過4-20mA通信方式將遠端現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳回PLC，實現(xiàn)對現(xiàn)場溫度變化監(jiān)測。PT100的測量范圍為-200-850℃，則4mA代表-200℃，20mA代表850℃，實際溫度計算公式如下：

T=（850+200）℃/（20-4）mA*（I-4mA）-200℃

其中：

• T為當前測試溫度；

• I為當前采集電流；

• 一般用低于2mA代表熱電阻測溫模塊系統(tǒng)斷電或者通信線路斷線。

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4-20mA通信系統(tǒng)的一般電路設計

4-20mA模擬量通信電路如下圖：4-20mA通信電路架構(gòu)所示，應用現(xiàn)場前端由傳感器組成，經(jīng)由變送器將非標準的傳感器信號轉(zhuǎn)換為標準4-20mA通信信號，再發(fā)送到遠端控制設備，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，用戶只需要自己搭建接收模塊即可。接收模塊正如下圖：4-20mA通信電路架構(gòu)所示，包含了采樣器、信號調(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通信攜帶的是一個高精度、數(shù)據(jù)范圍比較寬的數(shù)據(jù)時（比如上個章節(jié)所提及的遠端PT100熱電阻溫度監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量范圍-200-850℃，精度0.1%±1℃取最大值），接收模塊精度達不到0.1%，則會引起數(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)準確呢？

4-20mA通信電路架構(gòu)

首先我們分析一下接收鏈路可能導致采集精度誤差的原因：

• 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，電阻溫漂引起采樣電壓的漂移；

• 調(diào)理電路，該電路限制采樣精度的因素比較多，如運放的失調(diào)電壓、輸出噪聲、衰減或增益網(wǎng)絡誤差引起ADC端的電壓采集誤差；

• ADC單元電路誤差，如基準漂移、基準噪聲，電源噪聲、PCB布局等這都是外部影響ADC轉(zhuǎn)換精度因素；

• ADC自身所帶來的轉(zhuǎn)換精度誤差，如ADC的失調(diào)誤差、增益誤差，無噪聲分辨率低、積分非線性差等問題，帶來轉(zhuǎn)換精度誤差。

為了縮短用戶的開發(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題。該模塊在設計上，考慮了如上的所有因素，采用極低溫飄的電阻，號稱零漂移的運放，24bit分辨率的ADC，在極優(yōu)的參數(shù)下選取最具性價比元器件，并優(yōu)化layout走線布局等實現(xiàn)以最小體積達成8通道測量。同時，每個模塊出廠均通過嚴格的測試校準，保證出廠的每個模塊都能達到指標要求。

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TPS08U模塊使用簡介

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