4~20mA電流環(huán)采集應(yīng)用方案
工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾谋O(jiān)控室或顯示設(shè)備上。因?yàn)殡娏餍盘柌灰资芨蓴_，工業(yè)上廣泛采用4~20mA電流來傳輸模擬量。4mA表示0%的信號，可以區(qū)分0%信號和電路斷開；20mA表示100%的信號，其通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。而控制端需要采集這個模擬電流量，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理。
1、硬件方案
工業(yè)上除特殊要求需要自己設(shè)計模擬電流采集電路以外，通用的比較高效、低成本的模擬電流采集方案一般是直接購買專門廠商的模擬量采集模塊（俗稱亞當(dāng)模塊）。配合上工控主機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)下圖所示的采集流程：電流變送器將傳感器返回的非標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成4~20mA的模擬電流信號進(jìn)行傳輸；亞當(dāng)模塊是一個ADC模塊，采集4~20mA的模擬電流，轉(zhuǎn)換成數(shù)值存放于寄存器中；主機(jī)通過RS485總線訪問各個模塊，得到相應(yīng)寄存器的數(shù)值進(jìn)行處理。
圖1 模擬電流采集示意圖
針對4~20mA模擬電流的采集，市場上有許多廠商都能提供不同性能、不同價格的亞當(dāng)模塊，這些模塊通過RS485總線接口與主機(jī)通信，通信協(xié)議是modbus RTU。英創(chuàng)主板提供RS485接口和modbus庫文件，能夠作為485主機(jī)，與亞當(dāng)模塊構(gòu)成模擬電流采集系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。目前，我們對市場上滿足4~20mA輸入范圍要求的一些亞當(dāng)模塊做了比較詳細(xì)的評估，英創(chuàng)主板都能與它們正常通信，完成對模擬電流的采集處理。在9600波特率下，我們用5位半電流表對各個廠商不同產(chǎn)品的測量精度進(jìn)行了評估（最低0.2%），具體情況及其他參數(shù)見表1，不同需求的客戶可以參考下表進(jìn)行亞當(dāng)模塊的選型。
表1 模擬電流采集模塊參數(shù)比較
| 型號 | DAM6080 | DAM7021 | EMR-AI08-I | ADAM-4117 | |
| 廠商 | 深圳誠控 | 深圳誠控 | 深圳昶為 | 臺灣研華 | |
單價（元）（不含稅） | 360 | 298 | 533 | 15341 | |
| 測試電路與主控電路電源 | 隔離 | 隔離 | 隔離 | 隔離 | |
| 采集單元與控制單元 | 光電隔離（2500VDC） | 光電隔離（2500VDC） | 光電隔離（1500VDC） | 光電隔離（3000VDC） | |
| 隔離RS485 | 否 | 否 | 是 | 是 | |
| 通信接口 | RS232 RS485 | RS232 RS485 | RS485 | RS485 | |
| 輸入范圍 | +20mA | ±20mA | 4-20mA | 通道獨(dú)立可設(shè) | |
| 輸入通道 | 8路單端，共地 | 2路差分，獨(dú)立 | 8路差分接線，共負(fù)信號2 | 8路差分，獨(dú)立 | |
| ADC分辨率 | 12位 | 16位 | 12位 | 16位 | |
| 轉(zhuǎn)換速率 | 實(shí)測 | 大于10Hz/通道 | 大于5Hz/通道 | 大于30Hz/通道3 | 大于10Hz/total 大于30Hz/total4 |
| 手冊 | 5Hz/通道 | 5Hz/通道 | 100Hz/通道 | 10/100Hz（total） 軟件可選 | |
| 輸入阻抗（Ω） | 200 | 100 | 250 | 120 | |
| 測量精度5 | 實(shí)測 | 0.05% | 0.1% | 0.2% | 0.05%/0.15% |
| 手冊 | ±0.2% | ±0.1% | ±0.2% | ±0.2% | |
| 標(biāo)準(zhǔn)modbus RTU協(xié)議 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | |
| 與其他型號組網(wǎng)6 | 兼容 | 兼容 | 兼容 | 兼容 | |
| 模塊地址 | PC端軟件修改 | PC端軟件修改 | 485主機(jī)modbus協(xié)議修改 | PC端軟件修改 | |
（綠色部分為實(shí)際測量結(jié)果，僅供參考）
1. 研華的ADAM-4107+只要1146元，與ADAM-4117的區(qū)別主要是通道不能單獨(dú)設(shè)定輸入范圍，采樣率只有10Hz（total），用戶可以評估一下
2. 實(shí)際就是單端，只是為每個通道提供了一個單獨(dú)的地信號接頭
3. 大于30，9600波特率受限于讀函數(shù)一次耗時約30ms，最大能測到約30Hz；當(dāng)波特率在115200時，讀一次時間約20ms，最大約能測50Hz，100次讀耗時不到2s，結(jié)果93次不同，表明差不多有50次/秒。受限實(shí)驗(yàn)條件，不能驗(yàn)證是否能達(dá)到100次/秒
4. adam-4117測電流要打開外殼，改變跳線，在PC上設(shè)置地址采樣率（轉(zhuǎn)換速率）等參數(shù)，可以只enable一個通道，則這個通道的采樣率就是總的采樣率（大于30Hz/total測試過程通注釋3），如果enable多個通道，則每個通道平分總的采樣率
5. 誤差除以量程為測量精度，5位半電流表測量值作為真實(shí)值；可以通過測試最大電流的采樣值和最小電流的采樣值重新標(biāo)定采樣值范圍，修改換算公式的值來進(jìn)一步改善
6. 各個模塊設(shè)置不同的地址后，兩兩聯(lián)網(wǎng)，485通信沒有問題
此外，市場上還有更低成本的低精度、單通道亞當(dāng)模塊，只要其支持標(biāo)準(zhǔn)的modbus RTU協(xié)議，物理通信接口為RS485就能配合英創(chuàng)主板使用，設(shè)置成不同地址后，可以組建RS485網(wǎng)絡(luò)，通過英創(chuàng)提供的modbus庫函數(shù)進(jìn)行訪問。不同模塊與英創(chuàng)主板的連接如圖2所示。
圖2 不同亞當(dāng)模塊與英創(chuàng)主板連接
2、應(yīng)用軟件編程
Modbus是工業(yè)控制器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中最常用的協(xié)議之一，其通信采用主從方式，在同一個網(wǎng)絡(luò)中有一個主設(shè)備及最多達(dá)255臺從設(shè)備。工業(yè)上一般使用modbus RTU模式，以16進(jìn)制傳送數(shù)據(jù)，一個字節(jié)就是一幀，效率高于modbus ASCII模式。一個典型的modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包由若干幀組成，如圖3所示：
圖3 modbus數(shù)據(jù)包格式
其中，第1幀為從機(jī)地址，第2幀為功能碼，第3、4幀為主機(jī)欲訪問的從機(jī)的起始寄存器地址，第5、6幀為要訪問的寄存器個數(shù)，最后兩幀為16位CRC校驗(yàn)碼。對任何一個 ModBus協(xié)議數(shù)據(jù)包，其第 1、2幀及最后兩幀的意義都是相同的，其他幀則根據(jù)功能碼不同而有所區(qū)別。
英創(chuàng)提供的libmbusmaster.a庫實(shí)現(xiàn)了modbus協(xié)議，支持常用功能碼，詳細(xì)介紹請查閱網(wǎng)站文章《ModBus通訊協(xié)議軟件包》、《英創(chuàng)嵌入式Linux工控主板支持Modbus主控協(xié)議軟件》、《Linux下的Modbus設(shè)備方協(xié)議軟件介紹》。
下面就linux系統(tǒng)下，使用英創(chuàng)提供的libmbusmaster.a庫文件進(jìn)行模擬電流采集應(yīng)用編程作簡單介紹，更詳細(xì)的過程請參考具體例程。
1、打開串口設(shè)備
sprintf( hostName, "ttyS3:9600-8-1-0");
hPort = mbusMaster_OpenPortProtocol( hostName );
2、設(shè)置modbus通信超時時間
i1 = mbusMaster_SetTimeout( hPort, 2000 );
printf( "SetTimeout:%d\n", i1 );
3、讀取亞當(dāng)模塊轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，處理讀取值
result = mbusMaster_ReadMultipleRegisters( hPort, moduleAddr, startAddr+channelStart,dataArr,channelCnt);
if (result == 0)
{
sampleCnt++;
printf("*****sample %d*****\n",sampleCnt);
for (i1 = 0; i1 < channelCnt; i1++)
{
value[i1] = CalculateCircuit(moduleID, dataArr[i1]);
printf("[%d]:\t%hd\t0x%04x\t%0.4f\n", i1 , dataArr[i1], dataArr[i1], value[i1]);
}
}
else
{
strcpy( str,mbusMaster_GetErrorText( result ) );
i1 = strlen( str );
if( i1>0 )
{
printf( "%s!\n", str );
}
}
其中，CalculateCircuit是根據(jù)不同模塊的轉(zhuǎn)換公式將讀到的數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電流值。在使用mbusMaster_ReadMultipleRegisters讀取寄存器值時，要參照各模塊的手冊，傳遞不同的寄存器映射地址。如果讀取失敗，可以通過mbusMaster_GetErrorText函數(shù)提示失敗原因。
4、關(guān)閉串口設(shè)備
mbusMaster_ClosePortProtocol( hPort );
如果用戶對4~20mA模擬電流采集應(yīng)用方案感興趣，可以聯(lián)系我們。我們將提供表1所有的模塊信息及程序示例。
3、總結(jié)
目前，市面上亞當(dāng)模塊（模擬數(shù)采模塊）在價格、性能、通道數(shù)上有非常靈活的選擇，單通道的亞當(dāng)模塊最低不到￥100元就能買到。綜合我們的測試情況來看，主控部分使用英創(chuàng)主板，模擬數(shù)據(jù)采集部分使用市面上成熟的亞當(dāng)模塊，是工業(yè)上一種快速構(gòu)建4~20mA模擬電流采集硬件平臺的方案，并且具有很高的靈活性，能夠滿足用戶的不同需求。此外，英創(chuàng)的libmbusmaster.a庫文件實(shí)現(xiàn)了modbus協(xié)議的常用功能，用戶只要簡單的調(diào)用幾個函數(shù)，就能完成軟件上的編寫，大大減少了整個產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度。因此，此方案具有簡單、高效、靈活、低成本的優(yōu)勢。