【PSoC4 试用报告】基于4～20mA输出信号远程测控的实现

         一、概述         4-20mA.DC信号制是国际电工委员会（IEC）---过程控制系统用模拟信号标准。         现在，工业现场大量采用4～20mA电流来传输信号，由于电流源内容无穷大，导线（长数百米）电阻串联在回路中不影响精度，且不易受干扰，避免了电压作为信号，易受噪声干扰、产生压降带来的影响。        4～20mA产品的典型应用是传感和测量应用。在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4～20mA的电流信号。各类变送器、电机保护器和变频器等也都具有4～20mA输出信号，用于远程测控。       由于经常接触远距离传送4～20mA信号测控，正值试用PSoC 4开发套件，于是，就以4～20mA信号测控为题材设计一个小案例， 来深化了解开发套件及性能。
                                      
        二、原理叙述       首先，将送来的4～20mA信号线性地转换成为0～5V的输出电压，R2为采样电阻，运用了PSoC 4两个运算放大器，在4mA时，R7调节出0电压输出；在20mA时，R5调节出5V电压输出。变化的电压，再经跟随器、电阻分压成ADC SAR 能够接受的电压，进行A/D转换。转换的值经过软件处理，通过 UART 和the PSoC 5LP USB-UART bridge传送 ，显示在电脑的putty上。       在试用过程中，RGB LED的蓝灯一直闪烁，表明ADC SAR 在进行转换工作。       由于在工业现场调试比较困难，采用了+24V稳压电源，串接毫安表、电阻R13、R14和采样电阻R2，组成4～20mA产生电路，通过调节R13、毫安表监视，就有4～20mA变化的电流，流过采样电阻R2，起到了外来4～20mA信号的作用。       电气原理图如下：
                  
        三、组件       本案例采用本套件以下组件，组件的配置见附件：Sensor_4_20mA_Project图片.zip       · OpAmp       · ADC SAR        · UART      · CyPins
        四、软件       软件main.c包括本例软件设计流程，详情见附件：Sensor_4_20mA_Project.zip。
       五、硬件连接       1、UART 的P0.5联接到the PSoC 5LP UART bridge 的P12.6 。       2、搭接的简易电路板一组线，须联接到套件的3.3V、GND、P1.0、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P2.0和联接4～20mA信号的两根线。
                                                                       
       六、调试与试用       1、将电源跳帽插入+5V端，系统由+5V供电。       2、在PSoC Creator 2.2中，经Build和Program后，接通+24V电源，使采样电阻R2流过4～20mA，调节电阻R7、R5,运算放大器OpAmp_1、OpAmp都能够有0～5V电压输出，电阻R7、R5就固定下来。开通电脑的putty，调节R13，观看毫安表在4～20mA之间变化，在putty显示如下变化：
                                                                                                                                   
       3、试用       试用是接入变频器的4～20mA信号，观看putty显示的频率与变频器显示基本一致。      根据4～20mA信号表现的物理意义的不同，确定物理量（电压、电流、频率、压力、转速、温度和光度等），修改软件，体现它的实际意义。比如这次试用的是电动机变频器，频率在50Hz以内变化，于是，在软件里就设定了频率（Hz）与线性倍率。这样，看到变化的4～20mA信号，线性体现了频率0~50Hz之间的变化。       由于时间有限，对分时显现（显示时间）、对发送信号对象的调控和故障处理，待以后完善，力求实用。       对发送信号对象的调控，对象不同处理的方式也不同，有的只需要监视，有的还需要对对象进行远程调控。比如：电动机变频器可以根据输出4～20mA信号的监控，来进行信号远程调控、修正。本来想用PSoC 4开发套件的容性触摸感应CapSense组件和脉冲宽度调制器PWM组件，来模拟变化的信号输出，发现触摸条与主芯片的大部分物理管脚，已被运算放大器 (Opamp)所指定（不可更改），不能再用；若采用其它办法，还需要外在的器件支持和不少的工程量，待到实际应用时再完成。
       七、心得体会       在PSoC Creator 2.2平台里，即能作图，又能编程，显得图文并茂，新颖别致；套件里的组件，可以独力使用，显得与其它单片机不同的地方，体现了所要介绍的卓越的性能。       在使用过程中，发现本套件提供用户使用的电压为3.3V、+5V，没有负压（-V），这给电路设计带来了限制；也发现容性触摸感应CapSense组件（触摸条）和运算放大器 (Opamp) 组件映射的物理管脚的部分相同，不能同时来用。       在编程过程中，总觉得指令、函数和参数（值）名称太长，不容易记。
      八、视频：                           http://player.youku.com/player.php/sid/XNjM0MTY1NjQw/v.swf
     九、附件         127639         127640
      （河南 薛）