工業(yè)控制領(lǐng)域，由于傳統(tǒng)4-20mA電流傳輸方案，依舊占領(lǐng)著統(tǒng)治地位，因此各種儀表上基本都會(huì)配置標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流輸出接口。其中，電流輸出中最主要的就是恒流源制作，對(duì)于剛接觸工業(yè)儀表的同志，是比較喜歡使用現(xiàn)成的電流輸出芯片的方案，特別是國(guó)外的電流芯片。但自從“華為事件”之后，“國(guó)產(chǎn)替代”的任務(wù)提上日程，想用電流轉(zhuǎn)換芯片的可以參考本人以前的文章。

本文后面將使用的是一種使用PWM進(jìn)行電流輸出的恒流源方案，它可以使用PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的調(diào)節(jié)，具有輸出隔離、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2、實(shí)現(xiàn)功能

2.1 使用tiM產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM，以實(shí)現(xiàn)4-20mA電流調(diào)節(jié)
2.2 通過(guò)控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的標(biāo)定與校正，以準(zhǔn)確地輸出4-20mA
2.3 控制臺(tái)對(duì)輸出電流控制

3、硬件框架

硬件總體框架如圖1所示，PC機(jī)通過(guò)USB連接到開發(fā)板上，一方面給開發(fā)板供電，別一方面，可以直接下載和調(diào)試；開發(fā)板上，產(chǎn)生可調(diào)占空比的PWM波形，通過(guò)光耦將PWM信號(hào)傳遞給可控制恒流源的模擬信號(hào)處理單元；開發(fā)板上的3.3V為恒流源的光耦的發(fā)光二極管供電；隔離電源為恒流源的模擬部分供電，包含對(duì)4-20mA電流輸出、電壓基準(zhǔn)、運(yùn)放等電路的供電；4-20mA電流環(huán)輸出接口接到電阻箱（大功率、高精度、低溫漂的采樣電阻）上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流進(jìn)行采樣，方便通過(guò)萬(wàn)用表進(jìn)行電壓測(cè)量。

圖1

為啥用萬(wàn)用表進(jìn)行電壓測(cè)量呢？老工程師告訴我，萬(wàn)用表電壓檔的精度，通常都比電流檔的精度要高，想想，好像也是，那個(gè)電流檔的采樣電阻是小阻值電阻，也就是采樣得到電壓比較低，稍有點(diǎn)干擾就不那么準(zhǔn)了唄。歸根到底，還是錢的事，沒(méi)有那么高級(jí)的萬(wàn)用表嘛，暴露了不是，嘿嘿。反正測(cè)量電流，轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行量，是常用方案，萬(wàn)用表里頭也是這么干的。
隔離可控制電流源部分框圖如圖所示，3.3V是開發(fā)板提供的，為光耦進(jìn)行供電以接收PWM信號(hào)，在此處要注意限流電阻的選擇不能過(guò)大，否則對(duì)PWM信號(hào)傳遞會(huì)有影響。2.5V電壓基準(zhǔn)為反相器供電，以保證轉(zhuǎn)換的PWM高電平為精確的基準(zhǔn)電壓。

圖2

反相器輸出的PWM經(jīng)過(guò)Salen-key有源低通濾波電路獲得相對(duì)穩(wěn)定的直流參考電壓，并輸出給運(yùn)放的同向輸入端；反向輸入端接入內(nèi)部采樣電阻的電壓；運(yùn)放的輸出端用于控制NMOS的開度，實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)。

具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖3~5所示。圖3中，單片機(jī)的PWM信號(hào)，通過(guò)光耦合進(jìn)行隔離變換，變換后的信號(hào)通過(guò)電阻R6，進(jìn)入反相器U5，經(jīng)過(guò)反相器得到幅值精準(zhǔn)的PWM波形。

圖3

反相器輸出的PWM-2.5波形，經(jīng)過(guò)圖4所示的Salen-Key低通濾波器之后，得到相對(duì)穩(wěn)定的VO-REF直流電壓信號(hào)。

圖4

如圖5所示，直流電壓信號(hào)VO-REF，輸入到運(yùn)放的同相輸入端，反相輸入端接入采樣電阻的電壓值，運(yùn)放的輸出控制mos管的開度，這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)運(yùn)放的虛短虛斷原理，可以得到同相反相的電壓相同，即VO-REF與采樣電阻的電壓相等。因此，通過(guò)控制VO-REF就可以控制輸出的電流，而VO-REF與脈沖PWM的占空比有關(guān)，即通過(guò)控制PWM的占空比就可以控制電流的大小。注意，只要控制占空比就可以了，所以，選擇一個(gè)頻率（當(dāng)然，這個(gè)頻率肯定會(huì)與濾波器的特性有關(guān)，低通的嘛，太高的頻率下都衰減沒(méi)了，那還搞啥子？理論不足怎么辦？試唄，設(shè)定一個(gè)頻率，看一下輸出是否穩(wěn)定，穩(wěn)定就OK。如果想從理論上搞一下，可以用仿真軟件玩一下，然后，選擇一個(gè)合適的頻率），愉快的輸出吧。

4、軟件框架

由于這個(gè)目前是通過(guò)控制臺(tái)來(lái)運(yùn)行的，所以這里就不好寫了。偷看了小伙伴們的作業(yè)，都是寫的幾個(gè)線程，往上一弄，如果是這樣的話，這里沒(méi)有多余的線程，只有外設(shè)。。。鵝鵝鵝。。。比獨(dú)立的線程，還要獨(dú)立。。。所以相關(guān)說(shuō)明還是放到軟件模塊說(shuō)明里比較好。

5、軟件模塊說(shuō)明

5.1 需求

5.1.1. 可以輸出任意4-20mA中的任意電流，翻譯一下，就是占空比可以控制的PWM；

5.1.2. 可以對(duì)輸出電流進(jìn)行校正，翻譯一下，就是可以修改占空比計(jì)算函數(shù)；

5.1.3. 可以按校正后的電流進(jìn)行輸出，翻譯一下，就是可以按修正的占空進(jìn)行輸出；

5.2 PWM輸出函數(shù)

5.2.1. 要可以控制占空比，_rt_pwm_set_這個(gè)自的函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)；

5.2.2. 要可自動(dòng)判斷是否完成校正，添加1個(gè)變量就可以，通過(guò)變量來(lái)區(qū)分；

5.2.3. 要可以強(qiáng)制輸出未校正的波形，添加1個(gè)變量進(jìn)行聯(lián)鎖控制就可以；

5.3 接收校正參數(shù)

通過(guò)控制臺(tái)交互將標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，再通過(guò)確認(rèn)指令，完成校正參數(shù)計(jì)算。

控制臺(tái)強(qiáng)制輸入未校正的電流4mA和20mA，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)得250R電阻兩端的mv值，這里得到兩組數(shù)據(jù)，假設(shè)，未校正時(shí)4mA、20mA對(duì)應(yīng)的占空為P0,P1，測(cè)得到電壓分別為V0，V1，那么(V0,P0)，(V1,P1)。即實(shí)際測(cè)得到電壓(即實(shí)際電流)對(duì)應(yīng)一個(gè)占空值，直接線性化就可以了，y=kx+b。
k=(P0-P1)/(V0-V1)
b=P0-k*V0
這里要注意的是保證單位一致就可以了。

5.4 PWM校正函數(shù)

校正函數(shù)其實(shí)就非常簡(jiǎn)單了，y=kx+b嘛，直接寫就可以了。