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配置標準的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，特別是國外的電流芯片。但自從“華為事件”之后，“國產(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進行電流輸出的恒流源方案，它可以使用PWM實現(xiàn)對電流的調(diào)節(jié)，具有輸出隔離、精度高等優(yōu)點。

2、實現(xiàn)功能

2.1 使用tiM產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM，以實現(xiàn)4-20mA電流調(diào)節(jié)
2.2 通過控制臺實現(xiàn)對電流的標定與校正，以準確地輸出4-20mA
2.3 控制臺對輸出電流控制

3、硬件框架

硬件總體框架如圖1所示，PC機通過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，通過光耦將PWM信號傳遞給可控制恒流源的模擬信號處理單元；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4-20mA電流輸出、電壓基準、運放等電路的供電；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，實現(xiàn)對電流進行采樣，方便通過萬用表進行電壓測量。

圖1

為啥用萬用表進行電壓測量呢？老工程師告訴我，萬用表電壓檔的精度，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，稍有點干擾就不那么準了唄。歸根到底，還是錢的事，沒有那么高級的萬用表嘛，暴露了不是，嘿嘿。反正測量電流，轉(zhuǎn)換成電壓進行量，是常用方案，萬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，為光耦進行供電以接收PWM信號，在此處要注意限流電阻的選擇不能過大，否則對PWM信號傳遞會有影響。2.5V電壓基準為反相器供電，以保證轉(zhuǎn)換的PWM高電平為精確的基準電壓。

圖2

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

具體的實現(xiàn)電路如圖3~5所示。圖3中，單片機的PWM信號，通過光耦合進行隔離變換，變換后的信號通過電阻R6，進入反相器U5，經(jīng)過反相器得到幅值精準的PWM波形。

圖3

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

圖4

如圖5所示，直流電壓信號VO-REF，輸入到運放的同相輸入端，反相輸入端接入采樣電阻的電壓值，運放的輸出控制mos管的開度，這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過運放的虛短虛斷原理，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，選擇一個頻率（當然，這個頻率肯定會與濾波器的特性有關(guān)，低通的嘛，太高的頻率下都衰減沒了，那還搞啥子？理論不足怎么辦？試唄，設(shè)定一個頻率，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，選擇一個合適的頻率），愉快的輸出吧。

4、軟件框架

由于這個目前是通過控制臺來運行的，所以這里就不好寫了。偷看了小伙伴們的作業(yè)，都是寫的幾個線程，往上一弄，如果是這樣的話，這里沒有多余的線程，只有外設(shè)。。。鵝鵝鵝。。。比獨立的線程，還要獨立。。。所以相關(guān)說明還是放到軟件模塊說明里比較好。

5、軟件模塊說明

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. 可以對輸出電流進行校正，翻譯一下，就是可以修改占空比計算函數(shù)；

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

5.2 PWM輸出函數(shù)

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

5.2.2. 要可自動判斷是否完成校正，添加1個變量就可以，通過變量來區(qū)分；

5.2.3. 要可以強制輸出未校正的波形，添加1個變量進行聯(lián)鎖控制就可以；

5.3 接收校正參數(shù)

通過控制臺交互將標定數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，再通過確認指令，完成校正參數(shù)計算。

控制臺強制輸入未校正的電流4mA和20mA，通過萬用表測得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4mA、20mA對應(yīng)的占空為P0,P1，測得到電壓分別為V0，V1，那么(V0,P0)，(V1,P1)。即實際測得到電壓(即實際電流)對應(yīng)一個占空值，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)其實就非常簡單了，y=kx+b嘛，直接寫就可以了。