如何设计高精度可靠的4-20mA通信

使用4－20mA模拟量进行通信时，无论是发射端还是接收端的电路设计，相对于数字通信都会比较复杂，那为什么还要使用呢？本文将结合设计案例带你了解4－20mA通信。

1、为什么使用4－20mA通信？

在远距离、复杂的工业现场应用场合常常伴随有较大的干扰源，磁场辐射干扰、传导干扰等，如果使用传统的数字通信容易受到干扰，因为接收端的输入阻抗无穷大，在受到微弱噪声信号干扰后，会产生较高的电压噪声，不利于数据传输以及接口的安全使用规范。而使用模拟量（4－20mA）进行通信时，由于耦合的噪声信号较为微弱，通常为nA级别，则不受此影响，而且电流源驱动没有线压降问题。

2、4－20mA代表了什么数据意义？

基于国际标准文件提出的《过程控制系统用模拟信号（第一部分）：直流电流信号（GB／T 3369.1－2008／IEC 60381－1：1982）》中规定了4－20mA信号为首选直流电流通信信号，如表一：直流电流信号范围所示。文件中规定在采用4－20mA通信信号的情况下，4mA代表原始数据的0刻度，20mA代表原始数据的满刻度，0mA作为断电、断线检测。

如远端PT100热电阻温度监测系统，通过4－20mA通信方式将远端现场数据传回PLC，实现对现场温度变化监测。PT100的测量范围为－200－850℃，则4mA代表－200℃，20mA代表850℃，实际温度计算公式如下：

T＝（850＋200）℃／（20－4）mA＊（I－4mA）－200℃

其中：

T为当前测试温度；

I为当前采集电流；

一般用低于2mA代表热电阻测温模块系统断电或者通信线路断线。

3、4－20mA通信系统的一般电路设计

4－20mA模拟量通信电路如图：4－20mA通信电路架构所示，应用现场前端由传感器组成，经由变送器将非标准的传感器信号转换为标准4－20mA通信信号，再发送到远端控制设备，由接收器接收上传至PLC控制端。

目前市面上有较多的传感器设备或者执行器的成品模块已经集成了4－20mA通信功能，用户只需要自己搭建接收模块即可。接收模块正如下图：4－20mA通信电路架构所示，包含了采样器、信号调理电路、ADC（模数转换）以及MCU（数据传输以及处理）。

但如果4－20mA通信携带的是一个高精度、数据范围比较宽的数据时（比如上个章节所提及的远端PT100热电阻温度监测系统，数据量范围－200－850℃，精度0.1％±1℃取最大值），接收模块精度达不到0.1％，则会引起数据传输误差，发挥不了传感器性能，那怎么去确保接收模块的采样数据准确呢？

4－20mA通信电路架构

首先我们分析一下接收链路可能导致采集精度误差的原因：

采样电阻的初始精度以及工作在极限环境（高低温max）下时，电阻温漂引起采样电压的漂移；

调理电路，该电路限制采样精度的因素比较多，如运放的失调电压、输出噪声、衰减或增益网络误差引起ADC端的电压采集误差；

ADC单元电路误差，如基准漂移、基准噪声，电源噪声、PCB布局等这都是外部影响ADC转换精度因素；

ADC自身所带来的转换精度误差，如ADC的失调误差、增益误差，无噪声分辨率低、积分非线性差等问题，带来转换精度误差。

为了缩短用户的开发周期， ZLG推出了一款带有隔离功能的高精度模拟量采集模块（TPS08U）一次性解决了如上所有问题。该模块在设计上，考虑了如上的所有因素，采用极低温飘的电阻，号称零漂移的运放，24bit分辨率的ADC，在极优的参数下选取最具性价比元器件，并优化layout走线布局等实现以最小体积达成8通道测量。同时，每个模块出厂均通过严格的测试校准，保证出厂的每个模块都能达到指标要求。

4、TPS08U模块使用简介

TPS08U典型电路如下图所示，只需简单的外围电路就可以实现8通道的模拟信号采集（4－20mA and 0－5V），精度0.1％（电压为满量程精度）。模块电源采用3.3V供电，通信接口SPI，同时，模块集成了电源及通信隔离电路（隔离DC：2500V），尺寸大小长＊宽＊高：31.8mm＊20.3mm＊6.5mm。详细资料可向当地销售获取。

审核编辑：符乾江