基于低成本MCU的電流環路校準器的設計與實現
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這次任務的目的是降低這些設備的成本，進而降低其銷售價格。所設計設備的電流源分辨率為0.001mA。它能以階梯或斜坡函數格式自動化地或通過數字鍵盤以人工方式輸入電流值來測量并提供所需要的4~20mA范圍內的電流。
4~20mA電流環路是在工業應用中發送傳感器信息的一種基本方法。傳感器是一種用來測量溫度、壓力、速度和流體流動等物理參數的器件。大多數過程自動化傳感器使用4~20mA的電流環路接口實現標準化。這種接口一般用于通過電流環路向遠端站點發送傳感器值(見圖1)。
圖1：電流環路系統縱覽
業界有許多系統遵循4~20mA電流環路標準。4~20mA電流環路校準器就是用于測試和校準這些系統。4~20mA電流環路是這樣設計的：當傳感器接收到最小值時，環路電流是4mA；當傳感器達到最大值時，環路電流變成20mA。因此4mA被認為是起點(0%讀數)，20mA是滿刻度讀數(100%)。在這種條件下，0mA值被解釋為通信中斷。也就是說，0至4mA范圍被稱為零或偏移量，4至20mA范圍被稱為發送器的正常覆蓋范圍。
4~20mA電流環路電路由4部分組成，分別是傳感器/轉換器、發送器、接收器和電流源，見圖2。傳感器或換能器測量物理參數幅度，并轉換為電壓。發送器將來自傳感器的電壓信息轉換為4~20mA電流值。接收器在收到4~20mA電流值后將它轉換回電壓，并發送給過程控制器或指示器。電流源也提供電流環路。每個環路中至少有一個接收器，它可以是一個指示器(一臺儀表或一個數字顯示器)、一個圖表記錄器、一個RTU或PLC輸入電路、閥門致動器等。
FIGURE 2. The Fluke 707 loop calibrator sells for around $700 to $800.
在設計和測試帶傳感器的工業設備時，我們可以使用電流環路校準器并依據傳感器可能有的值來觀察系統行為。
校準器產生而且也讀取4~20mA范圍內的電流值。對于圖2所示的系統，電流環路校準器可以通過取代發送器和接收器來判斷過程控制器在遠程系統的不同過程條件(如10%、50%和77%范圍內的溫度值)下的行為。
在商用化市場中，存在許多類型且具有不同規格的4~20mA電流環路校準器，它們的價格高達2,000美元。本次研究的目的是要降低這些設備的成本，從而降低其銷售價格。
大多數商用化校準器都有基于模擬或階梯/斜坡函數進行調整的屬性。本次研究旨在開發出一種能夠在足夠短的時間內通過鍵盤輸入方法調整到目標電流值的校準器。另外，所開發的設備應能夠產生具有足夠精度的電流值，并能根據階梯/斜坡函數進行自動或手工調整。
在科學文獻中有許多與本研究工作相關的出版物，比如具有0~20kA值的電流調整系統，用于大電流/電源轉換器的10mA直流電流源，通用CMOS電流源等，但沒有一個可直接用于4~20mA電路環路。本次實現的設備具有上述電流環路標準中規定的很高精度，還能夠完成許多功能，如發送器、接收器、電流源以及與這個標準相關的測量。另外，根據這個標準中的模擬值，我們開發了一種基于數字接口微控制器的系統。這樣做的主要理由是數字系統工作穩定，較少受環境條件(噪聲、熱量等)的影響，并且更容易使用。
校準器的規范
首先我們來了解一下商用校準器的屬性，見圖3。
圖3：商用電流環路校準器例子
在4~20mA范圍內的電流產生和讀取；
0~20V工作電壓；
電流源分辨率為0.001mA；
電流讀取精度為0.012%；
9V堿性電池；
允許使用240V交流；
在LCD指示器上以百分比(%)指示電流值(也存在使用條形圖案的產品)；
使用兩線發送器。
這次設計的系統由數字鍵盤、編碼器、微控制器、數字/模擬轉換器(DAC)、電流源、模擬/數字轉換器(ADC)和LCD指示器組成(見圖4)。我們使用PIC16F877微控制器控制系統。PIC16F877是一種40引腳、帶8位CMOS閃存的微控制器。選擇這種微控制器的理由是，它具有足夠多的輸入端口用于LCD、鍵盤和數字/模擬轉換器，還有一個串行外設接口(SPI)、一個用于鍵盤的中斷源、一個內部模擬/數字轉換器(ADC)，最后是低成本。
圖4：系統框圖
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