一种在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯的解决方案

技术领域

本发明涉及信号测量技术领域，具体为一种在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯的解决方案。

背景技术

两线制4-20mA电流环(以下简称4-20mA电流环)广泛的应用在传统工业现场中，用于传送传感器、仪器、仪表等(以下统称传感器)的测量信号，传统的4-20mA电流环传送的是单向模拟的电流信号，不支持传送双向数字通讯信号。随着数字化的发展，越来越多的用户和制造商希望在4-20mA电流环上进行双向数字通讯，以实现信号传送的数字化，并可以通过数字通讯增加为传感器设定参数、校准和固件升级等功能。

目前在4-20mA电流环上进行数字通讯广泛使用的是HART协议解决方案(以下简称HART方案)，HART方案要求在传感器等的内部增加相对复杂的调制解调器电路，成本高，并且通讯速率被限制在1200bps，通讯速率很低。为此我们提出了一种在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯的解决方案，以解决上述背景技术中传统的4-20mA电流环不能传送双向数字通讯信号的问题，以及旧的HART方案的调制解调器电路复杂、成本高、和通讯速率太低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯的解决方案，包括以下步骤：

步骤一：变送器内的放大器U3把上位机传来的0～3.3V的数字通讯信号RX转换为10～24V的数字通讯信号，同时作为传感器的电源电压；

步骤二：当微控制器U1想要发送数字通讯信号TX时，微控制器控制DAC输出0V，并在TX引脚输出数字通讯信号TX；

步骤三：0～3.3V的数字通讯信号就被转换成4-20mA电流环上的0～9mA的数字通讯信号；

步骤四：变送器内的采样电阻Ri把这个电流信号转换成电压信号，经过比较器U4再转换回0～3.3V的数字通讯信号传给上位机；

步骤五：当微控制器U1想要在4-20mA电流环上输出普通的4-20mA模拟信号时，微控制器把TX引脚设置为高阻状态，控制DAC输出正常的模拟电压，此时传感器就在4-20mA电流环上输出普通的模拟信号；

步骤六：变送器通过测量采样电阻Ri的电压V得出信号电流。

优选的，步骤一所述的传感器内的分压电阻R1，R2把电源电压上的10～24V的数字通讯信号再转换回0～3.3V的数字通讯信号，传送给微控制器U1，微控制器接收RX数字通讯信号。

优选的，根据步骤二中此时4-20mA环路控制器U2控制的环路电流由TX引脚的输出电压和R4的电阻值决定。

优选的，4-20mA电流环传送的是模拟的电流信号，旧有的HART方案受原理所限，通讯速率最大为1200bps，而本发明没有速率的限制，本发明的测试样机的通讯速率为9600bps，远远高于业界广泛使用的HART方案。

优选的，4-20mA电流环的电源电压向传感器传送RX信号，传感器通过4-20mA电流环的电流传送出TX信号，实现了在4-20mA电流环上增加数字通讯功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)该在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯的解决方案，使用本发明可以通过在传感器内增加几个电阻，增加约几分成本，实现在4-20mA电流环上传送数字通讯信号。

(2)旧有的HART方案受原理所限，通讯速率最大为1200bps，本发明原理上并没有速率的限制，测试样机的通讯速率为9600bps，也可以工作于更高速率，与HART相比，通讯速率大大提升。

(3)传统的4-20mA电流环并不支持数字通讯信号的传输，通过4-20mA电流环的电源电压向传感器传送RX信号，传感器通过4-20mA电流环的电流传送出TX信号，实现了在4-20mA电流环上增加数字通讯功能。并可以通过数字通讯增加为传感器设定参数、校准和固件升级等功能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯的解决方案，包括以下步骤：

步骤一：变送器内的放大器U3把上位机传来的0～3.3V的数字通讯信号RX转换为10～24V的数字通讯信号，同时作为传感器的电源电压；

步骤二：当微控制器U1想要发送数字通讯信号TX时，微控制器控制DAC输出0V，并在TX引脚输出数字通讯信号TX；

步骤三：0～3.3V的数字通讯信号就被转换成4-20mA电流环上的0～9mA的数字通讯信号；

步骤四：变送器内的采样电阻Ri把这个电流信号转换成电压信号，经过比较器U4再转换回0～3.3V的数字通讯信号传给上位机；

步骤五：当微控制器U1想要在4-20mA电流环上输出普通的4-20mA模拟信号时，微控制器把TX引脚设置为高阻状态，控制DAC输出正常的模拟电压，此时传感器就在4-20mA电流环上输出普通的模拟信号；

步骤六：变送器通过测量采样电阻Ri的电压V得出模拟信号电流。

步骤一所述的传感器内的分压电阻R1，R2把电源电压上的10～24V的数字通讯信号再转换回0～3.3V的数字通讯信号，传送给微控制器U1，微控制器接收RX数字通讯信号。

步骤二中4-20mA环路控制器U2控制的环路电流由TX引脚的输出电压和R4的电阻值决定。

使用本发明可以通过在传感器内增加几个电阻，增加约几分成本，实现在4-20mA电流环上传送数字通讯信号，旧的HART方案受原理所限，通讯速率最大为1200bps。本发明原理上没有速率的限制，测试样机的通讯速率为9600bps，也可以工作于更高速率。

实施例二：

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种在两线制4-20mA电流环上进行数字通讯的解决方案，包括以下步骤：

步骤一：变送器内的放大器U3把上位机传来的0～3.3V的数字通讯信号RX转换为10～24V的数字通讯信号，同时作为传感器的电源电压；

步骤二：当微控制器U1想要发送数字通讯信号TX时，微控制器控制DAC输出0V，并在TX引脚输出数字通讯信号TX；

步骤三：0～3.3V的数字通讯信号就被转换成4-20mA电流环上的0～9mA的数字通讯信号；

步骤四：变送器内的采样电阻Ri把这个电流信号转换成电压信号，经过比较器U4再转换回0～3.3V的数字通讯信号传给上位机；

步骤五：当微控制器U1想要在4-20mA电流环上输出普通的4-20mA模拟信号时，微控制器把TX引脚设置为高阻状态，控制DAC输出正常的模拟电压，此时传感器就在4-20mA电流环上输出普通的模拟信号；

步骤六：变送器通过测量采样电阻Ri的电压V得出模拟信号电流。

步骤一所述的传感器内的分压电阻R1，R2把电源电压上的10～24V的数字通讯信号再转换回0～3.3V的数字通讯信号，传送给微控制器U1，微控制器接收RX数字通讯信号。

根据步骤二中此时4-20mA环路控制器U2控制的环路电流由TX引脚的输出电压和R4的电阻值决定。

4-20mA电流环的电源电压向传感器传送RX信号，传感器通过4-20mA电流环的电流传送出TX信号，实现了在4-20mA电流环上增加数字通讯功能。

本发明原理上并没有速率的限制，测试样机的通讯速率为9600bps，也可以工作于更高速率，与HART相比，通讯速率大大提升，通过4-20mA电流环的电源电压向传感器传送RX信号，传感器通过4-20mA电流环的电流传送出TX信号，实现了在4-20mA电流环上增加数字通讯功能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。