【经验分享】“国产替代”RTT可控电流源设计详细方案与...

鸣涧

【经验分享】“国产替代”RTT可控电流源设计详细方案与实现

1、4-20mA电流传输方案概述

工业控制领域，由于传统4-20mA电流传输方案，依旧占领着统治地位，因此各种仪表上基本都会配置标准的4-20mA电流输出接口。其中，电流输出中最主要的就是恒流源制作，对于刚接触工业仪表的同志，是比较喜欢使用现成的电流输出芯片的方案，特别是国外的电流芯片。但自从“华为事件”之后，“国产替代”的任务提上日程，想用电流转换芯片的可以参考本人以前的文章。

本文后面将使用的是一种使用PWM进行电流输出的恒流源方案，它可以使用PWM实现对电流的调节，具有输出隔离、精度高等优点。

2、实现功能

2.1 使用tiM产生占空比可调的PWM，以实现4-20mA电流调节
2.2 通过控制台实现对电流的标定与校正，以准确地输出4-20mA
2.3 控制台对输出电流控制

3、硬件框架

硬件总体框架如图1所示，PC机通过USB连接到开发板上，一方面给开发板供电，别一方面，可以直接下载和调试；开发板上，产生可调占空比的PWM波形，通过光耦将PWM信号传递给可控制恒流源的模拟信号处理单元；开发板上的3.3V为恒流源的光耦的发光二极管供电；隔离电源为恒流源的模拟部分供电，包含对4-20mA电流输出、电压基准、运放等电路的供电；4-20mA电流环输出接口接到电阻箱（大功率、高精度、低温漂的采样电阻）上，实现对电流进行采样，方便通过万用表进行电压测量。

图1

为啥用万用表进行电压测量呢？老工程师告诉我，万用表电压档的精度，通常都比电流档的精度要高，想想，好像也是，那个电流档的采样电阻是小阻值电阻，也就是采样得到电压比较低，稍有点干扰就不那么准了呗。归根到底，还是钱的事，没有那么高级的万用表嘛，暴露了不是，嘿嘿。反正测量电流，转换成电压进行量，是常用方案，万用表里头也是这么干的。
隔离可控制电流源部分框图如图所示，3.3V是开发板提供的，为光耦进行供电以接收PWM信号，在此处要注意限流电阻的选择不能过大，否则对PWM信号传递会有影响。2.5V电压基准为反相器供电，以保证转换的PWM高电平为精确的基准电压。

图2

反相器输出的PWM经过Salen-key有源低通滤波电路获得相对稳定的直流参考电压，并输出给运放的同向输入端；反向输入端接入内部采样电阻的电压；运放的输出端用于控制NMOS的开度，实现电流调节。

具体的实现电路如图3~5所示。图3中，单片机的PWM信号，通过光耦合进行隔离变换，变换后的信号通过电阻R6，进入反相器U5，经过反相器得到幅值精准的PWM波形。

图3

反相器输出的PWM-2.5波形，经过图4所示的Salen-Key低通滤波器之后，得到相对稳定的VO-REF直流电压信号。

图4

如图5所示，直流电压信号VO-REF，输入到运放的同相输入端，反相输入端接入采样电阻的电压值，运放的输出控制mos管的开度，这是一个典型的闭环控制系统。通过运放的虚短虚断原理，可以得到同相反相的电压相同，即VO-REF与采样电阻的电压相等。因此，通过控制VO-REF就可以控制输出的电流，而VO-REF与脉冲PWM的占空比有关，即通过控制PWM的占空比就可以控制电流的大小。注意，只要控制占空比就可以了，所以，选择一个频率（当然，这个频率肯定会与滤波器的特性有关，低通的嘛，太高的频率下都衰减没了，那还搞啥子？理论不足怎么办？试呗，设定一个频率，看一下输出是否稳定，稳定就OK。如果想从理论上搞一下，可以用仿真软件玩一下，然后，选择一个合适的频率），愉快的输出吧。

4、软件框架

由于这个目前是通过控制台来运行的，所以这里就不好写了。偷看了小伙伴们的作业，都是写的几个线程，往上一弄，如果是这样的话，这里没有多余的线程，只有外设。。。鹅鹅鹅。。。比独立的线程，还要独立。。。所以相关说明还是放到软件模块说明里比较好。

5、软件模块说明

5.1 需求

5.1.1. 可以输出任意4-20mA中的任意电流，翻译一下，就是占空比可以控制的PWM；

5.1.2. 可以对输出电流进行校正，翻译一下，就是可以修改占空比计算函数；

5.1.3. 可以按校正后的电流进行输出，翻译一下，就是可以按修正的占空进行输出；

5.2 PWM输出函数

5.2.1. 要可以控制占空比，_rt_pwm_set_这个自的函数就可以实现；

5.2.2. 要可自动判断是否完成校正，添加1个变量就可以，通过变量来区分；

5.2.3. 要可以强制输出未校正的波形，添加1个变量进行联锁控制就可以；

5.3 接收校正参数

通过控制台交互将标定数据写入内存，再通过确认指令，完成校正参数计算。

控制台强制输入未校正的电流4mA和20mA，通过万用表测得250R电阻两端的mv值，这里得到两组数据，假设，未校正时4mA、20mA对应的占空为P0,P1，测得到电压分别为V0，V1，那么(V0,P0)，(V1,P1)。即实际测得到电压(即实际电流)对应一个占空值，直接线性化就可以了，y=kx+b。
k=(P0-P1)/(V0-V1)
b=P0-k*V0
这里要注意的是保证单位一致就可以了。

5.4 PWM校正函数

校正函数其实就非常简单了，y=kx+b嘛，直接写就可以了。