ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК ИНТЕРФЕЙСА 4-20мА
4-20mA TRANSCEIVER

Изобретение относится к технике измерения параметров технологических процессов и дистанционной передачи полученных данных.
Известен передатчик интерфейса 4-20 мА (преобразователь "цифровой код - ток 4-20 мА") с питанием от токовой петли (http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD421.pdf), состоящий из цифро-аналогового преобразователя, датчика тока, последовательного стабилизатора напряжения и управляемого источника тока, подключенного к выходу стабилизатора напряжения и управляемого цифро-аналоговым преобразователем через усилитель сравнения.
Известен также приемник интерфейса 4-20 мА с питанием от токовой петли, являющийся составной частью изолятора интерфейса 4-20 мА (http://www.gdscorp.com/IMAGES/pdfs/GDS51bro.pdf), который состоит из приемника интерфейса 4-20 мА с питанием от токовой петли, гальванической развязки и передатчика интерфейса 4-20 мА, причем приемник подключен к первой токовой петле, а передатчик подключен к второй токовой петле. Данное устройство приемопередатчиком не является, так как его приемник и передатчик подключены к разным токовым петлям.
Известные устройства могут осуществлять либо прием, либо передачу информации с помощью интерфейса 4-20 мА, получая питание от токовой петли этого интерфейса.
В настоящее время неизвестно устройство, способное осуществлять как прием, так и передачу информации по токовому интерфейсу 4-20 мА, то есть выполняющее функции приемопередатчика интерфейса 4-20 мА, с питанием от токовой петли этого интерфейса.
Задачей изобретения является создание надежного простого устройства, выполняющего как функции приемника интерфейса 4-20 мА, так и функции передатчика интерфейса 4-20 мА, с питанием от токовой петли этого интерфейса.
Технический результат заключается в расширении арсенала средств передачи информации по токовому интерфейсу 4-20 мА, упрощении системы приема-передачи информации по токовому интерфейсу 4-20 мА, обеспечении дополнительного контроля величины тока при помощи приемника и защиты приемника от превышения тока при помощи передатчика.
Технический результат достигается тем, что приемопередатчик интерфейса 4-20 мА содержит последовательно включенные в токовую петлю приемную часть, состоящую из датчика тока, подключенного к аналого-цифровому преобразователю, параллельный стабилизатор, подключенный к выходу датчика тока, передающую часть, состоящую из источника тока, подключенного к выходу параллельного стабилизатора, и цифро-аналогового преобразователя, который управляет источником тока, управляющий микроконтроллер с внешним питанием или питанием от параллельного стабилизатора для определения конфигурации аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя, при этом аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь подключены к выходу параллельного стабилизатора, а их цифровые интерфейсы непосредственно или через гальваническую развязку подключены к управляющему микроконтроллеру, входом приемопередатчика является вход датчика тока, а выходом приемопередатчика является выход источника тока.
При этом аналого-цифровой преобразователь может быть подключен к датчику тока через инвертирующий усилитель с питанием от параллельного стабилизатора, причем инвертирующий усилитель предназначен для нормирования сигнала датчика тока к входному диапазону АЦП. Также между источником тока и цифро-аналоговым преобразователем может быть включен усилитель сравнения с питанием от параллельного стабилизатора, причем источник тока и усилитель сравнения охвачены отрицательной обратной связью, устраняющей влияние погрешностей источника тока и усилителя сравнения на выходной ток приемопередатчика интерфейса 4-20 мА.
На фигуре представлена блок-схема приемопередатчика интерфейса 4-20 мА.
Приемопередатчик интерфейса 4-20 мА состоит из последовательно включенных в токовую петлю приемной части 1, параллельного стабилизатора 2 и передающей части 3, а также управляющего микроконтроллера 4 с внешним питанием 5. Приемная часть 1 содержит датчик тока 6, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 7. Передающая часть 3 содержит источник тока 8, к входу которого подключен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 9. Параллельный стабилизатор 2 соединен с выходом датчика тока 6 и входом источника тока 8. АЦП 7 и ЦАП 9 подключены к выходу параллельного стабилизатора 2, а их цифровые интерфейсы непосредственно или через гальваническую развязку (на чертеже не показана) подключены к управляющему микроконтроллеру 4.
Входом приемопередатчика является вход датчика тока 6, а выходом - выход источника тока 8.
При этом АЦП 7 может быть подключен к датчику тока 6 через инвертирующий усилитель 10, который нормирует сигнал датчика тока к входному диапазону АЦП. Также между источником тока 8 и ЦАП 9 может быть включен усилитель сравнения 11, причем источник тока 8 и усилитель сравнения 11 охвачены отрицательной обратной связью, устраняющей влияние погрешностей источника тока и усилителя сравнения на выходной ток предлагаемого приемопередатчика. Инвертирующий усилитель 10 и усилитель сравнения 11 получают питание от параллельного стабилизатора 2.
В альтернативном варианте исполнения изобретения микроконтроллер 4 может питаться от параллельного стабилизатора 2. В предлагаемом приемопередатчике интерфейса 4-20 мА используется линейный параллельный стабилизатор.
Приемопередатчик интерфейса 4-20 мА работает следующим образом. При включении приемопередатчика интерфейса 4-20 мА в токовую петлю 12 источник тока 8 открыт, поэтому входной ток обеспечивает падение напряжения на параллельном стабилизаторе 2, достаточное для питания АЦП 7 и ЦАП 9. После включения ЦАП 10 выходной ток приемопередатчика устанавливается на минимальном уровне, который определяется начальным током источника тока 9 и должен быть не меньше тока собственного потребления приемопередатчика. Микроконтроллер 4 конфигурирует АЦП 7 и ЦАП 9.
При работе приемопередатчика в режиме передачи управляющий микроконтроллер 4 записывает в ЦАП 9 значение, соответствующее выходному току, и проверяет ток передачи, считывая данные с выхода АЦП 7. При несовпадении измеренного тока и тока передачи микроконтроллер формирует сигнал ошибки. При этом предлагаемый приемопередатчик работает как обычный передатчик 4-20 мА с питанием от токовой петли.
При работе в режиме приема микроконтроллер записывает в ЦАП значение, соответствующее току, заведомо превышающему диапазон входных токов, например 22 мА для диапазона 4-20 мА. Так как это значение больше тока в токовой петле, то источник тока полностью открывается и не влияет на работу схемы, при этом предлагаемый приемопередатчик работает как обычный приемник 4-20 мА с питанием от токовой петли. Ток токовой петли вызывает падение напряжения на датчике тока и АЦП преобразует его в цифровой вид. Микроконтроллер считывает из АЦП значения, соответствующие току в токовой петле. Однако если ток в токовой петле превысит установленный в ЦАП уровень, то источник тока начинает закрываться и предлагаемый приемопередатчик перейдет в режим ограничения тока, что обеспечивает защиту от неправильного подключения или неисправности передатчика в токовой петле.
Выбор выполняемой функции - прием или передача данных - осуществляется посредством управляющего микроконтроллера путем программной конфигурации.
Если чувствительность или диапазон входных напряжений АЦП не позволяют подключить его непосредственно к датчику тока, то между датчиком тока и АЦП может быть включен инвертирующий усилитель. Еще один усилитель - усилитель сравнения - может быть включен между ЦАП и управляемым источником тока для компенсации нелинейности источника тока и задания начального тока источника тока. В этом случае приемопередатчик работает следующим образом. При включении приемопередатчика интерфейса 4-20 мА в токовую петлю источник тока полностью открыт, поэтому входной ток обеспечивает падение напряжения на параллельном стабилизаторе, достаточное для питания инвертирующего усилителя, усилителя сравнения, АЦП и ЦАП. После включения инвертирующего усилителя и усилителя сравнения начинает работать отрицательная обратная связь с выхода источника тока, и выходной ток приемопередатчика устанавливается на минимальном уровне, который определяется смещением усилителя сравнения и должен быть не меньше тока собственного потребления приемопередатчика. При работе в режиме передачи усилитель сравнения формирует сигнал управления источником тока, сравнивая сигнал с выхода ЦАП и сигнал датчика тока или инвертирующего усилителя. В остальном работа приемопередатчика аналогична описанной ранее.
При работе предлагаемого приемопередатчика в режиме передатчика приемник не влияет на значение формируемого передатчиком тока, но позволяет оперативно контролировать ток передачи, который может отличаться от заданного из-за низкого напряжения питания или повышенного сопротивления проводов токовой петли. При работе предлагаемого приемопередатчика в режиме приемника передатчик нужно сконфигурировать на выдачу тока, несколько превышающего верхнюю границу измеряемого диапазона токов. В результате этого передатчик не будет влиять на ток в токовой петле, пока ток находится в пределах измеряемого диапазоне, и будет ограничивать ток, если он выходит за верхнюю границу измеряемого диапазона. Благодаря этому реализуется автоматическая защита от превышения входного тока, поскольку ток ограничивается на уровне, установленном в передатчике. Таким образом, обеспечивается повышение надежности приемопередатчика интерфейса 4-20 мА.
Объединение функций передачи и приема информации по токовому интерфейсу 4-20 мА в одном устройстве позволяет упростить систему приема-передачи информации по такому интерфейсу, уменьшить номенклатуру компонентов и минимизировать их складские запасы.