Інтерфейси струмової петлі

Михайло Чигарьов (КОМПЕЛ)

Токова петля - спосіб передачі інформації за допомогою вимірюваних значень сили електричного струму. Як правило, система з використанням струмової петлі включає датчик (тиску, температури, газів і т.п.), передавач, приймач і аналого-цифровий перетворювач (АЦП) або мікроконтролер (рисунок 1).

Мал. 1.Типова схема застосування струмової петлі

На виході датчика формується напруга, пропорційна параметру, що вимірюється. Передавач (підсилювач струму, керований напругою) перетворює напругу від датчика відповідний струм від 4 до 20 мА. На іншому кінці лінії приймач (підсилювач напруги, керований струмом) перетворює струм 4...20 мА назад у напругу. Аналого-цифровий перетворювач оцифровує вихідну напругу приймача для подальшої обробки процесором або мікроконтролером.

У системах з інтерфейсом струмової петлі інформація передається за допомогою модульованого сигналом струму. У струмовому петлі 4 ... 20 мА, найменше значення сигналу відповідає струму 4 мА, а найбільше - 20 мА. Отже, весь діапазон допустимих значень становить 16 мА. У петлі постійно підтримується струм 4 мА, тому при нижчій величині струму виявляється обрив лінії та дозволяє легко діагностувати таку ситуацію.

Як правило, в системах промислової автоматики датчики віддалені на великі відстані від центрального керуючого вузла, тому струмова петля досі не втратила своєї актуальності, оскільки є найбільш стійким до перешкод аналоговим інтерфейсом, особливо — в порівнянні з методами передачі даних напругою. Більш повноцінна система, що включає другу струмову петлю (наприклад, для управління приводом), продемонстрована на малюнку 2.

Мал. 2.Комплексна система зі зворотним зв'язком для керування приводом

Спираючись на цю схему, розглянемо рішення, які пропонує компанія Maxim для реалізації.

Операційний підсилювач як перетворювач напруга-струм

На малюнку 3 представлена ​​проста реалізація перетворювача «напруга-струм» з використанням операційного підсилювача (ОУ)MAX9943. Даний ОУ при напрузі живлення ±15 забезпечує вихідний струм більше ±20 мА, а також стабільний при ємнісному навантаженні 1 нФ, що робить його дуже придатним для використання у довгій лінії передачі. Для роботи в діапазоні вихідного струму 0...20 мА можливе однополярне живлення підсилювача, оскільки MAX9943 забезпечує розмах вихідної напруги, що дорівнює напруги живлення (rail-to-rail output).

Мал. 3.Перетворювач напруга-струм на MAX9943

У цій схемі залежність між вхідною напругою і струмом на навантаженні описується виразом: VIN = (R2/R1) RSENSE ILOAD + VREF. Типове значення навантажувального опору може становити кілька ком, У цьому прикладі: R1 = 1 кОм; R2 = 10 кОм; RSENSE = 12,5 Ом; RLOAD = 600 Ом.

Для перетворення вхідної напруги ±2,5 В на струм ±20 мА опорна напруга VREF має дорівнювати 0 В. Щоб отримати струмовий вихід 4...20 мА з вхідної напруги 0...2,5 В, необхідно задати зсув для постійної присутності в лінії струму 4 мА. При VREF = -0,25 Вхідна напруга 0…2,5 перетворюється на вихідний струм 2…22 мА. Зазвичай розробники вибирають трохи розширений динамічний діапазон для можливості подальшого програмного калібрування. Залежності вхідної напруги та вихідного струму показані на рисунках 4 та 5.

Мал. 4.Залежність ILOAD від VIN для виходу ±20мА

Мал. 5.Залежність ILOAD від VIN для виходу 4-20мА

MAX15500 і MAX15501 - формувачі сигналу струмової петлі

Схема на малюнку 3 з використанням операційних підсилювачів - це проста реалізація струмової петлі, яка викликає складності при калібруванні, а також велику похибку при передачі сигналів у реальних умовах експлуатації. Насправді, для реалізації перетворювача «напруга-струм» доцільно використовувати однокристальні рішення, технічні параметри яких жорстко описані у документації.

Мал. 6.Схема застосування MAX15500/15501

Приклад такого рішення -MAX15500/15501, програмовані за інтерфейсом SPI формувачі аналогового струмового виходу або виходу напруги. Вхідна напруга цих перетворювачів, зазвичай, береться з виходу зовнішнього ЦАП. Для MAX15500 діапазон вхідної напруги 0...4,096 В, а для MAX15501 - 0...2,5 В. Програмно доступні шість режимів роботи вихідного каскаду: ±10 В; 0 ... 5 В; 0 ... 10 В; ±20 мА; 0…20 мА; 4...20 мА. Мікросхеми забезпечують захист від короткого замикання; визначення обриву лінії передачі; захист від перегріву та визначення падіння напруги живлення нижче порогового.

MAX5661 - ЦАП з струмовим виходом

Найбільш інтегрований варіант перетворювача з струмовим виходом -MAX5661. Це одноканальний 16-бітний ЦАП з прецизійним високовольтним підсилювачем, який організує закінчене рішення для перетворення цифрового сигналу від процесора в програмований струмовий вихід (0...20 мА або 4...20 мА) або напруга промислового стандарту ±10 В.

Мал. 7.Схема застосування ЦАП MAX5661 з підтримкою струмового виходу

MAX1452 - перетворювач сигналу датчика в струмову петлю

Досі розглядали рішення, придатні перетворення сигналу від мікроконтролера чи ЦАП, тобто. передачі керуючих сигналів. Для отримання струмового сигналу з боку датчика Maxim пропонує мікросхемуMAX1452, поєднує в собі аналогову частину з ОУ для формування інформаційного сигналу і цифрову схему, що забезпечує компенсацію температурного дрейфу, підстроювання зсуву нуля, а також програмований за допомогою PGA коефіцієнт передачі . Усі коефіцієнти підстроювання зберігаються у вбудованій EEPROM пам'яті об'ємом 768 байт.

На малюнку 8 представлена ​​схема включення MAX1452 з струмовим виходом 4...20 мА та живленням від струмової петлі. Для формування струму в петлі використовується транзистор2N2222A.

Мал. 8.Схема включення MAX1452 як перетворювач з струмовим виходом

HART-модем DS8500

HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровий промисловий протокол передачі даних, що дозволяє, як правило, здійснити налаштування датчика або отримати інформацію про його стан з використанням лінії, де організована аналогова струмова петля. Для передачі цифрових даних використовується FSK-модульований сигнал (модуляція перемикання частоти) поверх струмової петлі 4 ... 20 мА (рисунок 9). Такий спосіб реалізації дозволяє використовувати протокол HART у вже існуючих системах з аналоговою струмовою петлею.

Мал. 9.FSK-модульований сигнал поверх аналогової струмової петлі

Для організації фізичного рівня HART (модуляції та демодуляції) компанія Maxim пропонує мікросхему HART-модемуDS8500, яка дозволяє здійснювати напівдуплексний режим приймання-передачі, при цьому «1» модулюється частотою 1,2 кГц, «0» 2,2 кГц. Функціонально DS8500 складається здемодулятора, цифрового фільтра, АЦП, модулятора та ЦАП (рисунок 10).

Мал. 10.Функціональна схема DS8500

Подібна архітектура (з наявністю цифрової фільтрації та ЦАП, що генерує чистий синусоїдальний сигнал із безперервним по фазі перемиканням між частотами) забезпечує надійний прийом сигналу в умовах перешкод.

Висновок

Компанія Maxim пропонує повний спектр рішень для організації передачі даних з використанням струмової петлі як від датчиків до центрального блоку управління, так і від цього блоку до виконавчих вузлів. Крім цього, для розширення функціоналу подібної промислової системи в лінійці Maxim присутні понад 300 різних мікросхем інтерфейсів RS-485/RS-232, CAN, LIN.

Література

1. "Наскільки можна використовувати високошвидкісний і високошвидкісний drive opamps в 4-20 mA current-loop systems", Maurizio Gavardoni,Maxim Engineering Journal №68

2. «Аналогова струмова петля — рішення від компанії Maxim», Анатолій Андрусевич,«Компоненти та технології» №8 2009

---