使用4-20mA模擬量進行通信時,無論是發射端還是接收端的電路設計,相對于數字通信都會比較復雜,那為什么還要使用呢?本文將結合設計案例帶你了解4-20mA通信。
1
為什么使用4-20mA通信?
在遠距離、復雜的工業現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,如果使用傳統的數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,會產生較高的電壓噪聲,不利于數據傳輸以及接口的安全使用規范。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,而且電流源驅動沒有線壓降問題。
2
4-20mA代表了什么數據意義?
基于國際標準文件提出的《過程控制系統用模擬信號(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。文件中規定在采用4-20mA通信信號的情況下,4mA代表原始數據的0刻度,20mA代表原始數據的滿刻度,0mA作為斷電、斷線檢測。
如遠端PT100熱電阻溫度監測系統,通過4-20mA通信方式將遠端現場數據傳回PLC,實現對現場溫度變化監測。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斷電或者通信線路斷線。
3
4-20mA通信系統的一般電路設計
4-20mA模擬量通信電路如下圖:4-20mA通信電路架構所示,應用現場前端由傳感器組成,經由變送器將非標準的傳感器信號轉換為標準4-20mA通信信號,再發送到遠端控制設備,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行器的成品模塊已經集成了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通信電路架構所示,包含了采樣器、信號調理電路、ADC(模數轉換)以及MCU(數據傳輸以及處理)。
但如果4-20mA通信攜帶的是一個高精度、數據范圍比較寬的數據時(比如上個章節所提及的遠端PT100熱電阻溫度監測系統,數據量范圍-200-850℃,精度0.1%±1℃取最大值),接收模塊精度達不到0.1%,則會引起數據傳輸誤差,發揮不了傳感器性能,那怎么去確保接收模塊的采樣數據準確呢?
4-20mA通信電路架構
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境(高低溫max)下時,電阻溫漂引起采樣電壓的漂移;
-
ADC自身所帶來的轉換精度誤差,如ADC的失調誤差、增益誤差,無噪聲分辨率低、積分非線性差等問題,帶來轉換精度誤差。
為了縮短用戶的開發周期, 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,在極優的參數下選取最具性價比元器件,并優化layout走線布局等實現以最小體積達成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。
4
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。詳細資料可向當地銷售獲取。
-
adc
+關注
關注
98文章
6495瀏覽量
544468 -
無線通信
+關注
關注
58文章
4564瀏覽量
143496 -
模擬技術
+關注
關注
17文章
469瀏覽量
39733
原文標題:如何設計高精度、可靠的4-20mA通信?
文章出處:【微信號:Zlgmcu7890,微信公眾號:周立功單片機】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
發布評論請先 登錄
相關推薦
評論