基于dsPIC的4～20 mA两线制恒流源的设计

吕振彬, 袁企乡, 徐　玮, 徐　昕

(上海航天计算机技术研究所，上海　201109)



基于dsPIC的4～20 mA两线制恒流源的设计

吕振彬, 袁企乡, 徐玮, 徐昕

(上海航天计算机技术研究所，上海201109)

我国新一代运载火箭动力测发控系统等效器中，需采用数十路4～20 mA电流源模拟配气台压力变送器信号，对设备输出精度、集成度、可靠性等指标提出较高要求；文章提出一种基于dsPIC数字信号控制器控制18路PWM输出、低通滤波实现D/A转换、最终实现了两线制4～20 mA电流输出的方法，并对该设计的理论基础及软硬件实现进行分析；该方案具备技术先进、输出精度高、可靠性好、高度集成化、外围电路少、软件控制简捷等优点，由于具有上述优点，在技术上已经处于国内领先状态，现在经过在我国新一代运载火箭长征六号动力测发控系统等效器中得到了成功应用。

PWM; 低通滤波; 恒流源 4～20mA

0　引言

信号长线传输时，如果传输的是电压信号，则传输线会受到噪声的干扰，传输线的电阻也会产生电压降，影响信号的传输。为了避免上述情况，通常用电流来传输信号。4～20 mA电流环在数据传输过程中有抗干扰能力强，数据传输准确的特点，在工业领域有广泛的应用。

1　系统架构

某型运载火箭动力系统等效器需要模拟64路压力变送器信号，信号为4～20 mA电流信号，要求每路信号独立，并可通过控制计算机进行调节，系统架构如图1所示。计算机内使用MOXA CP132I板卡，该板卡提供两路独立的全双工RS422通路。计算机通过RS422与dsPIC33FJ64GS610数字信号控制器通信，数字信号控制器可输出18路独立的可控的PWM波形，PWM经过光电隔离后，进行低通滤波，滤除高频分量，留下直流分量，通过滤波后的直流分量对XTR115的输出4～20 mA电流进行调节。

dsPIC33FJ64GS610是microchip公司设计的16位的数字信号控制器，它集成了数字信号控制器的控制功能及数字信号处理的计算能力和数据吞吐能力，能够在工业级温度范围能工作。集成了振荡器、低电压检测、看门狗，外围电路比较简单。

dsPIC33FJ64GS610数字信号控制器最多可支持18路PWM信号的输出。每路信号都可以独立由软件对信号周期和占空比调整。PWM占空比设置寄存器为双缓冲设计,使PWM输出过程中更新占空比时不会产生毛刺。对于占空比设置,具有可由用户访问的占空比寄存器和保存当前正使用的PWM周期内的实际比较值的占空比寄存器，可在当前PWM输出周期内设置下一个PWM波形的占空比。

XTR115属于二线制电流变送器，专为工业控制领域4-20 mA电流环设计的芯片，电流放大增益系数为100，由环路电源供电，范围为7.5 V-36 V，同时具有5 V和2.5 V参考电压的输出。工作温度范围是-40～+85℃。

图1　4～20 mA电流源系统架构

2　硬件原理分析

根据傅里叶变换原理，信号经过傅里叶变换可分为直流分量和交流分量，为保留信号中4～20 mA的直流分量，需选择合适的滤波器，将交流分量滤除，留下直流分量。DSP调节PWM信号占空比，从而控制直流分量大小，并实现D/A转换。D/A转换后的电压值作为XTR115的控制信号，实现4～20 mA电流的可控输出。

2.1低通滤波

每一个PWM信号(周期为T, ωn=2π/T,占空比为τ)，用傅里叶级数表示为：

(1)

其中：直流分量

(2)

(3)

(4)

(5)

通过采用低通滤波器将所有交流分量滤除，频率为wn，2wn等，只剩下直流分量，再通过调节PWM信号的占空比，改变电压Ud的大小，从而将数字信号转换成了4～20 mA的模拟信号。

2.2PWM转A/D精度分析

PWM信号与PWM频率通过低通滤波器后，在直流信号上产生纹波叠加，从而决定了D/A转换的精度。频率fn越高，越容易使直流分量与交流分量分开。当dsPIC33FJ64GS610倍频后供PWM计数的时钟频率为120 MHz时，即产生30 kHz的PWM信号；每产生一个周期的PWM信号，则计数4000个时钟单位。因此，所得直流分量的最小输出为1个时钟单位产生的PWM信号为0.825 mV(3.3 V×l/4 000)，而12位的D/A转换器的最小输出0.81 mV(3.3 V/4096)。当把PWM信号的频率从30 kHz降到5 kHz时，直流分量的最小输出则降低为0．11 mV(3.3/24 000)，接近于15位的分辨率。因此在理论上，PWM信号的频率越低，所得的直流分量就越小，D/A转换分辨率越高。但需要注意的是，当PWM信号基频减小时，相应的谐波分量频率也会降低，因此有更多的谐波通过相同带宽的低通滤波器，造成输出直流分量的纹波加大，又会使D/A转换的分辨率降低。由此可见，要获得较高的分辨率，单纯降低PWM信号的频率并不能实现。

综上所述，PWM输出D/A转换的误差，由PWM信号的频率决定的最小输出电压，以及通过低通滤波器的高频分量所产生的纹波这两个方面决定。要获得最佳的D/A分辨率，在选取PWM信号的频率时不能太小，要综合考虑选取一个最合适的值。

表1　PWM频率与分辨率对应关系

PWM输出首先通过光电隔离电路，然后经过阻容滤波，再输出模拟信号。本设计选择巴特沃兹型滤波器，该滤波器具有平坦的通带幅频特性，并且过渡带和截止带衰减很快，其传递函数为：

(6)

3　软件设计

软件设计以模块化设计为基础，分为控制计算机程序、dsPIC33FJ64GS610数字信号控制器程序两个组成部分，二者之间协同工作。dsPIC33FJ64GS610接收到信号后，对接收到的数据进行CRC校验，校验合格则反馈正确帧给控制计算机，否则反馈错误帧。

控制计算机与dsPIC33FJ64GS610数字信号控制器通过全双工RS422通信协议，波特率9.6 kbps。如无特殊说明，数据在传输时，高位在前，低位在后。信息帧格式如表2所示。dsPIC33FJ64GS610数字信号控制器接收到RS422数据后，进行CRC校验，如果校验正确则反馈值0xffff给控制计算机，否则反馈0x0000，反馈帧格式如表3所示。如果控制计算机发出数据后1 s内未收到反馈帧，重新发送数据，连续发送3次未收到反馈，认为数据丢失，则控制计算机报警。

表2　信息帧格式

表3　反馈帧格式

4　结束语

针对某型运载火箭动力系统等效器压力变送器信号的需求，给出一种可与控制计算机通讯的基于dsPIC33FJ64GS610数字信号控制器和XTR115的两线制4～20 mA电流环数据传输电路。首先讨论了该模型的系统架构，详细阐述了PWM信号的产生、低通滤波、D/A精度的方法，针对XTR115芯片，分析了其性能特点与工作原理，给出了典型应用电路的详细设计过程。该方案成本低，简单易行，在测试、测量领域具有广阔的应用前景。

[1] 咎勇,罗永红,王沛莹.XTR115电流环电路原理及应用[J]. 电子设计工程, 2011(8):190-192.

[2] 杨旭辉.一种在DSP上实现多路D/A输出的方法[J]. 工业仪表与自动化装置, 2009(5):71-73.

[3] 张华栋,孙丽丽.用TMS320LF2407和XTR115设计电流环回路[J]. 电子产品世界，2005(11):90-92.

[4] 刘艳,汪毅,贾雯杰,等. 一种常见精密恒流源的改进与应用[J]. 电测与仪表,2011,(4):93-96.

[5] 徐猛,李智. 恒流源在高精度数字多用表中的设计与实现[J]. 电测与仪表,2009,05:72-75.

[6] 薛易. 一种精密程控恒流源设计[J]. 自动化仪表,2009,(4):63-65.

Design of Two-wire 4～20 mA Constant-Current Source Based on dsPIC

LU Zhenbin，Yuan Qixiang，Xu Wei，Xu Xin

(Shanghai institute of aerospace computer technology，Shanghai201109,China)

In the equivalent device of dynamic test and launch control system of new generation launch vehicle, tens of 4 to 20 mA current sources are used to simulate air pressure transmitter of distributing device. This proposes higher requirements to output precision, integration degree,reliability and so on. This paper proposes a method which uses dsPIC digital signal controller to control PWM output and low-pass filter to achieve D/Aconverter,finally two-wire 4 to 20mA current output is realized. In this paper, the design theoretical foundation as well as hardware and software realization are analyzed. This scheme has advantages of advanced technology, high output accuracy, reliability, high integration,less peripheral circuits, simple software control, ect. It has been successfully applied in equivalent device of CZ-6 new generation launch vehicle dynamic test and launch control system.

PWM; low-pass filter; constant-current source;4～20 mA

2015-10-23；

2015-11-05。

吕振彬(1985-)，男，山东聊城人，工学硕士，主要从事运载火箭测发控技术方向的研究。

1671-4598(2016)01-0310-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.086

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