Прибор сигнал 4 20 ма. Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики

Токовая петля — способ передачи информации с помощью измеряемых значений силы электрического тока. Как правило, система с использованием токовой петли включает в себя датчик (давления, температуры, газов и т.п.), передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) или микроконтроллер (рисунок 1).

Рис. 1.

На выходе датчика формируется напряжение, пропорциональное измеряемому параметру. Передатчик (усилитель тока, управляемый напряжением) преобразует напряжение от датчика в соответствующий ток от 4 до 20 мА. На другом конце линии приемник (усилитель напряжения, управляемый током) преобразует ток 4…20 мА обратно в напряжение. Аналого-цифровой преобразователь оцифровывает выходное напряжение приемника для последующей обработки процессором или микроконтроллером.

В системах с интерфейсом токовой петли информация передается с помощью модулированного сигналом тока. В токовой петле 4…20 мА, наименьшее значение сигнала соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом, весь диапазон допустимых значений составляет 16 мА. В петле постоянно поддерживается ток 4 мА, поэтому при более низкой величине тока обнаруживается обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию.

Как правило, в системах промышленной автоматики датчики удалены на большие расстояния от центрального управляющего узла, поэтому токовая петля до сих пор не утратила свою актуальность, поскольку является наиболее помехоустойчивым аналоговым интерфейсом, особенно — по сравнению с методами передачи данных напряжением. Более полноценная система, включающая в себя вторую токовую петлю (например, для управления приводом), продемонстрирована на рисунке 2.

Рис. 2.

Опираясь на эту схему, рассмотрим решения, которые предлагает компания Maxim для ее реализации.

Операционный усилитель
в качестве преобразователя напряжение-ток

На рисунке 3 представлена простая реализация преобразователя «напряжение-ток» с использованием операционного усилителя (ОУ) MAX9943. Данный ОУ при напряжении питания ±15 В обеспечивает выходной ток более ±20 мА, а также стабилен при емкостной нагрузке до 1 нФ, что делает его весьма подходящим для использования в длинной линии передачи. Для работы в диапазоне выходного тока 0…20 мА возможно однополярное питание усилителя, поскольку MAX9943 обеспечивает размах выходного напряжения, равный напряжению питания (rail-to-rail output ).

Рис. 3.

В данной схеме зависимость между входным напряжением и током на нагрузке описывается выражением: V IN = (R2/R1) ґ R SENSE ґ I LOAD + V REF . Типовое значение нагрузочного сопротивления может составлять несколько кОм, В этом примере: R1 = 1 кОм; R2 = 10 кОм; R SENSE = 12,5 Ом; R LOAD = 600 Ом.

Для преобразования входного напряжения ±2,5 В в ток ±20 мА опорное напряжение V REF должно быть равно 0 В. Чтобы получить токовый выход 4…20 мА из входного напряжения 0…2,5 В, необходимо задать смещение для постоянного присутствия в линии тока 4 мА. При V REF = -0,25 В входное напряжение 0…2,5 В преобразуется в выходной ток 2…22 мА. Обычно разработчики выбирают немного расширенный динамический диапазон для возможности последующей программной калибровки. Зависимости входного напряжения и выходного тока показаны на рисунках 4 и 5.

Рис. 4. Зависимость I LOAD от V IN для выхода ±20 мА

Рис. 5. Зависимость I LOAD от V IN для выхода 4-20мА

MAX15500 и MAX15501 — формирователи сигнала токовой петли

Схема на рисунке 3 с использованием операционных усилителей — это простая реализация токовой петли, которая вызывает сложности при калибровке, а также большую погрешность при передаче сигналов в реальных условиях эксплуатации. На практике, для реализации преобразователя «напряжение-ток» целесообразно использовать однокристальные решения, технические параметры которых жестко описаны в документации.

Рис. 6.

Пример подобного решения — MAX15500/15501, программируемые по интерфейсу SPI формирователи аналогового токового выхода или выхода напряжения. Входное напряжение для этих преобразователей, как правило, берется с выхода внешнего ЦАП. Для MAX15500 диапазон входного напряжения 0…4,096 В, а для MAX15501 — 0…2,5 В. Программно доступны шесть режимов работы выходного каскада: ±10 В; 0…5 В; 0…10 В; ±20 мА; 0…20 мА; 4…20 мА. Микросхемы обеспечивают защиту от короткого замыкания; определение обрыва в линии передачи; защиту от перегрева и определение падения питающего напряжения ниже порогового.

MAX5661 — ЦАП с токовым выходом

Наиболее интегрированный вариант преобразователя с токовым выходом — MAX5661. Это одноканальный 16-битный ЦАП с прецизионным высоковольтным усилителем, который организует законченное решение для преобразования цифрового сигнала от процессора в программируемый токовый выход (0…20 мА или 4…20 мА) или в напряжение промышленного стандарта ±10 В.

Рис. 7.

Управление и передача данных в ЦАП осуществляется по четырехпроводному SPI-интерфейсу. В микросхеме предусмотрен выход #FAULT, с помощью которого можно диагностировать обрыв в токовой петле или короткое замыкание на выходе напряжения. Следует отметить, что MAX5661 требует использования внешнего источника опорного напряжения 4,096 В. В документации приводится список рекомендуемых ультрапрецизионных ИОН, например, MAX6341, MAX6133 или MAX6033. Для быстрого освоения всего функционала MAX5661 предлагается отладочный набор MAX5661EVCMAXQU+ с интерфейсом к ПК для управления ЦАП с помощью графического интерфейса (GUI).

MAX1452 — преобразователь сигнала датчика
в токовую петлю

До сих пор мы рассматривали решения, подходящие для преобразования сигнала от микроконтроллера или ЦАП, т.е. для передачи управляющих сигналов. Для получения токового сигнала со стороны датчика Maxim предлагает микросхему MAX1452, сочетающую в себе аналоговую часть с ОУ для формирования информационного сигнала и цифровую схему, обеспечивающую компенсацию температурного дрейфа, подстройку сдвига нуля, а также программируемый с помощью PGA коэффициент передачи. Все коэффициенты подстройки хранятся во встроенной EEPROM-памяти объемом 768 байт.

На рисунке 8 представлена схема включения MAX1452 с токовым выходом 4…20 мА и питанием от токовой петли. Для формирования тока в петле используется транзистор 2N2222A.

Рис. 8.

HART-модем DS8500

HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol ) — цифровой промышленный протокол передачи данных, позволяющий, как правило, осуществить настройку датчика или получить информацию о его состоянии с использованием линии, на которой организована аналоговая токовая петля. Для передачи цифровых данных используется FSK-модулированный сигнал (модуляция переключением частоты) поверх токовой петли 4…20 мА (рисунок 9). Такой способ реализации позволяет использовать протокол HART в уже существующих системах с аналоговой токовой петлей.

Рис. 9.

Для организации физического уровня HART (модуляции и демодуляции) компания Maxim предлагает микросхему HART-модема DS8500, которая позволяет осуществлять полудуплексный режим приема-передачи, при этом «1» модулируется частотой 1,2 кГц, «0» — 2,2 кГц. Функционально DS8500 состоит из демодулятора, цифрового фильтра, АЦП, модулятора и ЦАП (рисунок 10).

Рис. 10.

Подобная архитектура (с наличием цифровой фильтрации и ЦАП, который генерирует чистый синусоидальный сигнал с непрерывным по фазе переключением между частотами) обеспечивает надежный прием сигнала в условиях помех.

Заключение

Компания Maxim предлагает полный спектр решений для организации передачи данных с использованием токовой петли как от датчиков до центрального управляющего блока, так и от этого блока до исполнительных узлов. Помимо этого, для расширения функционала подобной промышленной системы в линейке Maxim присутствуют более 300 различных микросхем интерфейсов RS-485/RS-232, CAN, LIN.

Литература

1. "How to use highvoltage and highcurrent-drive opamps in 4-20 mA current-loop systems", Maurizio Gavardoni, Maxim Engineering Journal №68

2. «Аналоговая токовая петля — решения от компании Maxim», Анатолий Андрусевич, «Компоненты и технологии» №8 2009

И з предыдущих разделов ясно, что не подвергнутые обработке сигналы от весьма разнообразны и диапазон их изменения простирается от нескольких милливольт (для термопары) до более чем сотни вольт для тахогенератора. Кроме того, они могут быть вызваны изменениями напряжения постоянного тока, переменного тока или даже сопротивления. Поэтому совершенно очевидно, что если аналоговые входные платы лишь в диапазоне сигналов, то необходимо использовать некоторую .

В происхождение входного сигнала можно представить так, как показано на рис. 4.13. Первичный сигнал от датчика на месте преобразуется в стандартный сигнал , а совокупность датчика и этого устройства называется передатчиком или . После этого стандартизированный сигнал, несущий информацию об измеряемой переменной , может быть подан на обычную аналоговую входную плату.

Возникает естественный вопрос: каким должен быть этот стандартизированный сигнал? Аналоговые сигналы - это сигналы низкого уровня и поэтому подвержены помехам (или шумам, как их чаще всего называют). Сигнал, представленный электрическим током, менее подвержен влиянию шумов, чем сигнал, представленный напряжением, поэтому обычно выбирается токовый контур. Преобразователь и принимающее устройство соединяются по схеме, изображенной на рис. 4.14, причем токовый сигнал на приемной стороне преобразуется в напряжение при помощи балластного резистора. Токовый контур можно использовать с несколькими приемными устройствами (это могут быть, например, измерительный прибор, диаграммный самописец или вход ПЛК), соединенными последовательно.

Самый распространенный стандарт представляет аналоговый сигнал в виде тока с диапазоном изменения 4-20 мА, где 4мА минимальному уровню сигнала, а 20 мА - максимальному. Если, например, преобразователь давления дает сигнал 4-20 мА, представляющий давление в диапазоне 0-10 бар, то давлению 8 бар будет соответствовать тока 8 х (20 - 4)/10 + 4 = 16.8 мА. Сигнал 4-20 мА часто с помощью балластного резистора величиной 250 Ом преобразуется в сигнал 1 -5 В.

«Нулевой» сигнал 4 мА (называемый смещением) предназначен для двух целей. Во-первых, он используется как от повреждений преобразователя или кабельного шнура. Если происходит преобразователя или обрыв шнура или же в линии связи возникает короткое замыкание, то ток через балластный резистор будет равен нулю, что соответствует «отрицательному» сигналу 0 В на приемной стороне. Это может быть очень легко обнаружено и использовано как аварийный сигнал «неисправность преобразователя».

Ток смещения 4 мА также упрощает компоновку . На рис. 4.14 предполагалось, что преобразователь имел местный ис-

Рис. 4.15. Двухпроводным преобразователь 4-20 мА

точник питания и обеспечивал токовый сигнал. Подобная компоновка возможна, но более распространенной (и более простой) является схема, изображенная на рис. 4.15. Здесь источник питания (обычно 24-30 В постоянного тока) помещается на стороне приемного устройства, а сигнальные линии служат как для питания преобразователя, так и для передачи тока. Преобразователь отбирает от источника питания ток в диапазоне 4-20 мА в соответствии с измеряемым сигналом. Этот ток, как и раньше, преобразуется в напряжение с помощью балластного резистора.

Смещение в 4 мА обеспечивает ток, необходимый преобразователю для его нормальной работы. Очевидно, этого нельзя добиться, если диапазон сигнала будет составлять 0-20 мА. Преобразователи, включаемые по схеме рис. 4.15, обычно называются двухпроводными.

Один из интерфейсов промышленной автоматики — токовая петля 4-20мА, используется для передачи данных от измерительных преобразователей контроллерам. В интерфейсе идёт представление аналогового сигнала: 0мА — обрыв, 4мА — минимальный уровень сигнала, 20мА — максимальный уровень сигнала. Выпускается множество промышленных датчиков с интерфейсом токовой петли 4-20мА.

В статье предлагаю ознакомиться с преобразователем аналогового сигнала 0-5В (можно пересчитать и на другие диапазоны) в аналоговый сигнал 4-20мА — микросхемой xtr115.

Микросхема универсальная: к ней можно подключать резистивную нагрузку, источники напряжения 0-5В, с пересчётом и другие диапазоны, с добавлением одного операционного усилителя измерительный мост, выход микроконтроллера с аналоговым сигналом (ЦАП) или ШИМ сигналом пропущенным через фильтр.

Входной сигнал подаваемый на Iin (вывод 2) контролирует выходной ток управля транзистором Q1. Вход питания (+) линии 4-20 подключается к V+ (вывод 7), выход Io (вывод 4). Схема имеет встроенные стабилизаторы на 5В Vreg (вывод 8) и 2,5В(xtr115) или 4,096В (xtr116) Vref (вывод 1), которые можно использовать для питания внешних схем, при его использовании нужно учесть: что максимальный ток, который можно снять со стабилизатора не должен превышать 3,7мА (микросхема потребляет около 200мкА, а минимальный уровень интерфейса 4-20 — 4мА), так же весь отдаваемый ток микросхемой со всех её выводов должен вернуться на вывод Iret. Напряжение с вывода Vref можно использовать для смещения входного сигнала, поступаемого на вход Iin, для получения минимального уровня тока 4мА на интерфейсе 4-20. Ток протекающий через Iin (вывод 2) 100 кратно увеличивается протекает через Io (вывод 4), Io=100*Iin .

Рассмотрим схему включения преобразователя xtr115u с аналоговым входом 0-5В.

Основой преобразователя выступает микросхема xtr115. Транзистор Q1 должен быть мощностью не менее 0,8Вт, напряжением 40В и током 20мА, например MMBT2222A, BC817, но лучше взять что-нибудь по мощнее. Конденсатор C2 сглаживает пульсации на линии 4-20, резистор R3 ограничивает максимальный протекаемый ток, на нём может выделяться до 0,1Вт, рекомендуется типоразмер 1206. По входу конденсатор C1 выступает в роли входного фильтра. Резистор R1 ограничивает протекание входного тока на вход Iin для 5В на 160мкА, что соответствует 16мА на выходе Io, расчётное значение R1 31,25кОм. Резистор R2 номиналом в 62,5кОм устанавливает смещение 4мА на выходе Io (вывод 4), для этого с вывода источника опорного напряжения Vref на вход сигнала Iin должен протекать ток 40мкА. Протекание тока через резистор смещения R2 в 40мкА и протекание тока через резистор R1 ограниченного на 160мкА даёт на входе Iin диапазон от 40 до 200мкА, микросхема умножает это значение на 100 и на выходе Iout диапазон протекаемого тока 4-20мА.

Внимание! дополнение к схеме. Транзистора в корпусе sot23 не подходят для данной схемы, их можно применять только на малых напряжениях до 15В и наличии токоограничивающего резистора (R3). Максимальное тепловыделение на транзисторе может достигать 0.8Вт, а это уже корпуса D-PACK, при меньшем напряжении с натяжкой sot-223. На резисторе R3 может выделяться мощность около 0.1Вт, оптимальный типоразмер 1206.
Плата приведенная в статье проектировалась для знакомства с данной микросхемой и работает при напряжениях на токовом интерфейсе ниже 15В, кратковременно проверялась на 30В.

Внутреннее устройство преобразователя.

Для облегчения подбора резисторов R1 и R2 и для добавления установки/калибровки минимального и максимального значения номиналы резисторов были снижены до более распространенного номинала из таблицы E и к ним были добавлены подстроечные многооборотные резисторы.

R3 — установка нуля, подстройка 4мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к общему проводу. R1 — установка максимального значения, подстройка 20мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к VDD 5V.

Печатная плата имеет следующий вид:

Микросхема преобразователя xtr115 в корпусе SO8, транзистор в корпусе sot-23 (транзистор подобран без запаса по мощности, лучше выбрать в более большом корпусе с лучшим рассеиванием тепла). Все резисторы и конденсаторы в корпусе 0805. Резистор R2 номиналом в 30К разбит на 2: 10К и 20К. Подстроечные резисторы R1 и R3 многооборотные в корпусе 3296W. Разъём X1 выполнен в виде PLS-3R, квадратный вывод — GND, клеммник X2 — 350-021-14 имеет шаг 3,5мм.

Примеры использования интерфейса токовой петли 4-20мА xtr115:

Самое простое, что можно подключить к преобразователю — это переменный резистор (R1, на схеме с примерами выше) сопротивлением от 3,3кОм или датчик с изменяемым выходным сопротивлением.

Так же к xtr115 можно подключить выход микроконтроллера ЦАП или ШИМ через фильтр (П-образный фильтр на C1, R2, C2, на схеме выше), который выровняет ШИМ сигнал контроллера в аналоговый сигнал, что бы его можно будет подать на вход Vin преобразователя. Не стоит забывать про уровни: выходной сигнал микроконтроллера должен перекрывать весь рабочий диапазон преобразователя (4-20мА), для этого напряжение питания микроконтроллера должно быть то же 5В, как и у преобразователя, или придётся ставить дополнительные согласующие элементы.

К преобразователю так же можно подключить готовые датчики с изменяемым на выходе напряжением. Например: линейный датчик температуры LM35 (U1, см. на схеме выше), для работы которого понадобиться только резистор подтяжки R3 номиналом в 2кОм, которым можно подтянутся к встроенному в xtr115 стабилизатору напряжения 5В. Такое решение будет допустимо только для датчиков с небольшим потребляемым током, до 3,7мА, если больше они своим потреблением внесут искажения в работу интерфейса 4-20мА, для таких задач придётся использовать внешний источник питания.

Токовая петля – это двухпроводной интерфейс передачи информации, где данные закладываются в значение тока.

Благодарности

Большое спасибо Михаилу Гуку за интересные книги. Некогда авторы начинали изучение современной электроники с энциклопедией и изданий этого замечательного человека. Без интернета учебники приходилось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.

Компания muRata постоянно снабжает читателей свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей окажутся и читатели. Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Необходимость токовой петли

Токовая петля 4-20 мА считается распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто возникает необходимость измерения физических параметров, к примеру:

• Давление;
• Температура;
• Поток жидкости.

Потребность возникает постоянно, когда информацию нужно передать на расстояния в сотни метров и более. Токовая петля считается медленным цифровым интерфейсом, и обусловлено это зарядом ёмкости кабеля от источника (что проявляется с ростом частоты), для аналоговых или дискретных устройств возможностей вполне хватает. Передатчики снабжаются аккумуляторами на 12 (реже) либо 24 В (чаще). Последние позволяют дальше передать информацию, значащим параметром становится ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем ощутимее падение потенциала.

У приведённого технического решения есть пара недостатков. Во-первых, приходится использовать экранированные провода, во-вторых, увеличение дальности приводит к резкому снижению КПД. Типичная токовая петля состоит из четырёх компонентов:

1. Источник питания. Месторасположение произвольное.
2. Приёмник или монитор.
3. Передатчик (сенсор).
4. Преобразователь напряжения в ток.

Сенсоры выдают информацию, пропорциональную измеряемому параметру, представленному напряжением. Следовательно, нужно заняться преобразованием в ток. Потом информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника информация расшифровывается.

Поклонники цифровых технологий заявляют о низком быстродействии токовой петли. Действительно, при погонной ёмкости в 75 пФ/м километровый отрез провода образует конденсатор с номиналом 75 нФ. С ростом частоты сопротивление падает, эффект сглаживания и фильтрации не даёт правильно работать с информацией. За 19 мкс конденсатор наполняется полностью от напряжения 5 В, обусловливая замеченное ограничение в 9,6 кбит/сек.

Собственно токовая петля считается отжившим протоколом, на её место готовы прийти прочие, массово используемые, к примеру, MIDI и малоизвестный средь широкой публики промышленный интерфейс HART.

Общая информация

Первым сюрпризом становится отсутствие единых стандартов. Доминирующими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил нет. В токовой петле может передаваться любая информация. Если это двоичный код, единице соответствует наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие сигнала либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, это непременно опознаётся через стоп-байт.

Интерфейс применялся с 50-х годов, первоначально единица кодировалась как 60 мА постоянного тока. Следовательно, КПД системы оказывался намного ниже. Петля на 20 мА появилась в 1962 году как сигнал для телетайпов – для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С началом 80-х ток попытались уменьшить, не всегда успешно. Решили сделать компромисс:

1. 4 мА означает «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не произошёл ли в сети обрыв.
2. Единицей остаётся 20 мА.

Основным ограничением служит расстояние передачи информации. На параметр влияет битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек. Выше 19,2 кбит/сек линию не используют. В итоге на дальность влияют электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю предполагалось заменить по задумкам Fieldbus, в действительности в обиход вошёл стандартный сегодня RS-485 (1983 год) – вариант COM-порта. И поныне терминалы по протоколу RS-232 присоединяются при помощи токовой петли, а на приёмной стороне производится нужное преобразование. Иногда по протоколу работают избранные принтеры. Пусть теоретический предел здесь составляет 115 кбис/с, на практике применяется 9600.

Особенность токовой петли – в передатчике не обращают внимание на напряжение. Мощность бывает разной. Главное – выдержать значение тока, 20 мА. Следовательно, чем линия длиннее, тем меньше КПД. Это неукоснительно исполняемое правило. Периодически встречается токовая петля с гальванической развязкой. Для этого используются оптопары и подобные полупроводниковые конструкции.

Как правило, кабель используется экранированный, чтобы избежать параллельных ёмкостных помех, которые не удаётся компенсировать или отследить. Для создания сети неплохо подходит экранированная витая пара. Благодаря тесному переплетению проводов, она избавляет от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала используют две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF. Достойные специализированные приложения обходят затруднение созданием предварительных запросов на передачу и ответов.

На приёмнике ток преобразуют в напряжение при помощи резистивного делителя. В зависимости от вольтажа применяются сопротивления 125 – 500 Ом. Иногда на стороне передатчика или приёмника ставится адаптер (преобразователь сигнала) к последовательному интерфейсу COM-порта. Падение напряжения на резисторе высчитывается по закону Ома, к примеру, для номинала 250 Ом это составит 250 х 0,02 = 5 В. Соответственно, приёмник возможно откалибровать при необходимости на нужный уровень.

Где применяется токовая петля

1. Контроль технологических процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА считается главным аналоговым интерфейсом. Используется «живой» нуль, когда полное отсутствие сигнала означает обрыв линии. Ток в 4 мА иногда используется как питание для передатчика либо входящий сигнал модулируется датчиком и возвращается в виде информации. Встречаются цепи, где батарея стоит отдельно, тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не тратят собственную энергию.
2. Во времена аналоговой телефонии токовая петля оставалась излюбленным интерфейсом для подключения. И сегодня ещё находятся бьющиеся током провода в квартирах. Здесь телефон питается от станции и модулирует сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, описанным выше. Эти линии остались в качестве наследия былых времён. К примеру, компания Система Белла применяет питание постоянным током до 125 В.
3. Токовая петля иногда используется для передачи информации уровнем сигнала. К примеру, 15 мА означает «горим!», 6 мА – «все в порядке», 0 мА - обрыв линии. Любой местечковый производитель устанавливает собственные правила и пользуется протоколом.
4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называется «дистанционный контроль постоянным током». К примеру, Motorola MSF-5000 использует постоянные токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Пример подобного протокола:

• Нет тока – вести приём на 1 канале.
• +6 мА – передавать на 1 канале.
• -6 мА – принять информацию на 2 канале.
• -12 мА – передать на 2 канале.

Интерфейс MIDI

MIDI формат популярен среди музыкантов, это специализированный протокол цифровой звукозаписи. На физическом уровне он организован по схеме токовой петли 5 мА. Разумеется, из-за разницы уровней единиц напрямую два стандарта передачи не совместимы. Согласно Михаилу Гуку, MIDI разработан в 1983 году и стал правилом де-факто подключения синтезаторов.

Википедия сообщает, что в июне 1981 года корпорация Роланд подала крупному производителю синтезаторов – Обергейм Электроникс – идею стандартного интерфейса. Уже в октябре Смит, Обергейм и Какихаши обсудили это с правлением Ямаха, Корг и Каваи, а в ноябре на выставке общества AES продемонстрировали первый работоспособный вариант.

Два года интерфейс находился на доработке, и в январе 1983-го Смит объединил через MIDI два аналоговых синтезатора. Это позволило напрямую перекачивать аранжировки и создавать новые музыкальные композиции. Позднее файлы MIDI введены в поддержку операционной системы Windows, позволяя авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми спецэффектами, отсутствующими в оригинальных синтезаторах. Внедрение сэмплов различных инструментов позволяло исполнителю воспроизводить музыкальное сопровождение любой сложности.

Применение MIDI

В MIDI используются физические линии на 5 мА. Редко встречается 10. Гальваническая развязка осуществляется через оптрон. Характерной чертой признано инвертирование сигнала:

1. Есть ток.
2. Нет тока.

Поэтому MIDI напрямую не совместим с обычной токовой петлёй. Физический интерфейс видели многие, но не знали название. Визуально розетка представляет собой диск диэлектрика с боковым вырезом, по периметру расположены 5 отверстий (DIN). Конструкция охвачена по кругу экраном. Музыканты насчитывают три вида интерфейса:

1. MIDI-In.
2. MIDI-Out.
3. MIDI-Thru.

Порт MIDI иногда стоит на материнской плате персонального компьютера. Физически задействуются в нормальном режиме не используемые контакты 12 и 15 порта игрового адаптера DB-15S. Используемая здесь логика ТТЛ требует наличия адаптера для стыковки со стандартными синтезаторами по протоколу токовой петли. Микросхема преобразователя не слишком сложная, включает оптрон, диод, ряд логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART как последовательный COM-порт. В продаже есть звуковые карты с MIDI либо отдельные платы расширения на свободные слоты.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, массово применяемое в промышленности. Подосновой становится токовая петля 4-20 мА, а значит, может использовать витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов. Поначалу стандарт считался укзоспециализированным связным интерфейсом, но в 1986 году вышел на всеобщее обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими состав:

1. Преамбула – 5-20 байт. Служит для синхронизации и определения несущей.
2. Старт-байт – 1 байт. Указывает номер хозяина шины.
3. Адрес – от 1 до 5 байт. Присваивается хозяину, слуге и служит специальным признаком пакетного режима.
4. Расширение – от 0 до 3 байт. Его длина указывается в старт-байте.
5. Команда – 1 байт. То, что слуга должен исполнить.
6. Число байтов данных – 1 байт. Размер поля данных в байтах.
7. Данные – от 0 до 255 байтов. Данные, помогающие расшифровать порядок действий.
8. Проверочная сумма – 1 байт. Содержит результат логической операции XOR для всех байтов, кроме стартового и заключительного в блоке данных.

Разумеется, пакетная структура характерна для цифровых устройств, нуждается в расшифровке для правильного исполнения команды.

Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и тщательного изучения существующих решений, Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор, на самом деле, является оправданным во многих случаях.

В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.

Что такое токовая петля 20 мА?

Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА представляет собой стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА соответствует максимальному значению сигнала (рис. 1). В типовом приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) преобразуется в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.

Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник

Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?

Да, может. Обычно для представления логического «0» используется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» используется токовый сигнал 20 мА. Подробнее об этом рассказывается далее.

Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?

Он используется в основном в промышленных приложениях, в которых датчик и контроллер или контроллер и актуатор расположены на значительном удалении друг от друга, а коммуникационные кабели пролегают в помещениях с большим уровнем электромагнитных помех.

Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?

Существует две веские причины.

Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает высокую стойкость к внешним шумам. В соответствии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине в токовой петле невозможно ослабление или усиление тока (рис. 2). На практике питание токовой петли осуществляется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, строятся на основе высокоомных контуров, которые оказываются весьма восприимчивыми к помехам.

Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается - ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. После этого формируется аварийное предупреждение и производится локализация разрыва.

Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю

Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?

Устройства, подключаемые к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и актуаторы. В датчиках реализуется схема передатчика, который формирует линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. В актуаторах используется схема приемника, который преобразует ток в управляющее напряжение. Например, для задания минимальной скорости вращения двигателя контроллер формирует токовый сигнал 4 мА, а для задания максимальной скорости - сигнал 20 мА.

Почему вместо токовой петли не использовать беспроводной интерфейс, например, Wi-Fi или другой проводной интерфейс, например, Ethernet?

Выше уже было сказано, что токовая петля обладает двумя важными преимуществами: высокой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики. Кроме того, данный интерфейс имеет и другие достоинства, в том числе: невысокую стоимость реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, высокую надежность, возможность создания длинных линий связи вплоть до нескольких сотен метров (в том случае, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).

Другие проводные стандарты сложнее настраивать и обслуживать, они чувствительны к шуму, слабо защищены от взлома и отличаются высокой стоимостью реализации.

Создать беспроводную связь в промышленной среде вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях. Но при работе на больших дистанциях возникают трудности, связнные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных. Все это увеличивает стоимость и риск разрыва связи. Такое решение вряд ли оправдано, если требуется всего лишь подключить простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.

Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?

Все довольно просто: ток проходит через резистор, а получаемое падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Таким образом, сигналу 4 мА соответствует напряжение 1 В, а сигналу 20 мА соответствует напряжение 5 В. Напряжение 1 В оказывается достаточно большим по сравнению с фоновыми шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также является весьма удобным и лежит в диапазоне допустимых значений для большинства аналоговых схем. В то же время, максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I 2 R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченными возможностями по отводу тепла.

Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?

Совсем нет. Производители интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.

Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?

Как было сказано выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений от датчика можно посылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов. Типовая разрядность данных при этом составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют разрядность 18 бит, но это скорее является исключением, так как для обычных промышленных систем вполне хватает и 16 бит. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.

Что еще требуется для передачи цифровых данных?

Для выполнения обмена цифровыми данными будет недостаточно простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Необходимо каким-то образом сообщать пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, требуется контролировать появление ошибок и выполнять некоторые другие функции. Таким образом, для передачи цифровых данных с помощью токовой петли требуется определить формат кадров и реализовать соответствующий протокол передачи.

Что такое стандарт HART?

HART - общепринятый стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.

Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для использования в Европе. HART претерпел три основных модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является крайне важным для рынка промышленной электроники.

Дополнительной особенностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация позволяет избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.

Какие еще улучшения дает HART?

Использование байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с множеством подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии средств, затрачиваемых на прокладку проводов и монтаж по сравнению с соединением точка-точка.

Подключение множества устройств к одной общей токовой петле означает, что эффективная скорость передачи данных для каждого отдельного устройства уменьшается. Однако чаще всего это не является проблемой. Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходит довольно редко - порядка одного раза в секунду. Например, температура - наиболее часто измеряемая физическая величина- как правило, меняется достаточно медленно.

Таким образом, стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в век цифровых технологий.

Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?

Да, другое важное усовершенствование касается питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчику, и актуатору требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.

Однако по мере развития интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшалось. В результате появилась реальная возможность питания устройств непосредственно от токовой петли. Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет необходимости в дополнительном источнике питания. Пока напряжение сигнального контура достаточно велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.

Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?

Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны иметь разрешение на использование во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств любого из этих классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не хватало для возгорания как при нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях. Потребляемая мощность устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они обычно без проблем проходят данную сертификацию.

Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?

Они делают то же, что и всегда: создают ИС, которые обеспечивают реализацию не только базового функционала, но множества других дополнительных возможностей. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).

Рис. 3. MAX12900 - малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли

MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание напрямую от токовой петли. Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для обеспечения плавного включения; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.

Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?

Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 - референсную схему датчика температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема построена на базе микроконтроллера MSP430 и представляет собой бюджетное решение с минимальным набором компонентов.

Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема построена на базе нескольких ИС, которые обеспечивают обработку показаний датчика и взаимодействие с токовой петлей

В TIDM-01000 для управления током используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Таким образом, отдельный ЦАП не требуется. Схема имеет 12-битное разрешение с шагом квантования выходного тока 6 мкА. Предложенное решение обеспечивает защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).

Рис. 5. Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате. Компактность является еще одним достоинством токовой петли

Заключение

В статье были рассмотрены основные вопросы, посвященные использованию токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Несмотря на то, что этот интерфейс является настоящей «древностью» по меркам электроники, тем не менее, его по-прежнему широко используют, в том числе в современных цифровых устройствах. В статье также рассказывалось о том, каким образом питание от токового контура дополнительно расширяет возможности данного интерфейса.