4～20 mA電流環(huán)串行通信接口抗干擾研究

武文斌　陳先玉

摘 要： 介紹了基于4～20 mA電流環(huán)串行通信接口的基本原理，創(chuàng)新的使用PCI轉(zhuǎn)UART橋芯片實(shí)現(xiàn)了基于CPCI總線的4～20 mA電流環(huán)串口卡，并給出了某地面測(cè)試系統(tǒng)中電流環(huán)接口的干擾源及其抗干擾分析。通過(guò)改進(jìn)接收端施密特觸發(fā)器電路，降低了輸出高電平的幅值，減小了系統(tǒng)中干擾信號(hào)的尖峰，有效地抑制了噪聲；同時(shí)，通過(guò)選取最佳的負(fù)載電阻，提高了光耦飽和度，增強(qiáng)了輸出驅(qū)動(dòng)能力。經(jīng)測(cè)試，按這種方法改進(jìn)后的4～20 mA電流環(huán)串行接口電路較好地抑制了通信線束中的電磁串?dāng)_，提升了抗干擾能力。

關(guān)鍵字： 4～20 mA電流環(huán)； 串行通信； 接口； 抗干擾

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）12?0116?03

Abstract： The basic principle of serial communication interface for 4～20 mA current loops is introduced in this paper. The 4～20 mA current loop serial card based on CPCI bus was realized by innovative use of PCI?to?UART bridge chip. The interference source and anti?interference analysis of the current loop interface in a ground test system are offered in this paper. By improving the circuit of Schmidt trigger at receiving end， the amplitude of the output high level and the signal peak are reduced. As a result， the noise is suppressed. The selection of the optimum load resistance makes the optocoupler saturation improved， and the output drive capability enhanced. The testing results show that this improved serial interface circuit of 4～20 mA current loop can restrain electromagnetic interference in communication wire harness.

Keywords： 4～20mA current loop； serial communication； interface； anti?interference

由于電流不受線阻的影響，電流環(huán)通信在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)不易受噪聲干擾，因此，在工業(yè)控制及惡劣環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控等領(lǐng)域中經(jīng)常采用這種信號(hào)傳輸方式。但是，電流環(huán)串口的抗干擾特性并非絕對(duì)，在某些特定環(huán)境下，如果應(yīng)用不當(dāng)，反而容易通過(guò)線路引入脈沖串?dāng)_。本文結(jié)合過(guò)程應(yīng)用實(shí)例，研究4～20 mA電流環(huán)串行通信接口在發(fā)送和接收端引入干擾的原因及相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 4～20 mA電流環(huán)基本原理

電流環(huán)通常包括傳感器、發(fā)送器、接收器和ADC或微控制器[1]。傳感器用于測(cè)量物理參數(shù)（如壓力或溫度），提供相應(yīng)的輸出電壓；發(fā)送器將傳感器輸出按比例轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)；接收器則將4～20 mA電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，ADC或微控制器將接收器的電壓輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

4～20 mA電流環(huán)通常情況下信號(hào)傳輸?shù)木嚯x較長(zhǎng)，且不需考慮線路上噪聲、線長(zhǎng)、壓降和線路阻抗等參數(shù)的影響，從而使電路傳輸性能大大提高。在電流環(huán)中，信息通過(guò)電流調(diào)制信號(hào)進(jìn)行傳輸[2?3]。對(duì)于4～20 mA系統(tǒng)，4 mA通常表示傳感器的零輸出，20 mA表示滿量程輸出，因而很容易區(qū)分環(huán)路斷路（0 mA，故障狀態(tài)）與傳感器的零輸出（4 mA）。與電壓調(diào)制信號(hào)相比，電流環(huán)從本質(zhì)上具有更高的抗干擾能力[4]。

2 基于CPCI總線的4～20 mA電流環(huán)卡設(shè)計(jì)

在某地面測(cè)試系統(tǒng)中，為滿足惡劣環(huán)境下的通信需求，設(shè)計(jì)了一塊基于CPCI總線的4～20 mA電流環(huán)串口卡，系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過(guò)使用Oxford公司的OX16系列PCI轉(zhuǎn)UART橋芯片，上位機(jī)軟件直接操作相應(yīng)的寄存器就可以在異步串行通信方式下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。而UART橋芯片產(chǎn)生的TTL電平信號(hào)則經(jīng)過(guò)光耦以后進(jìn)入電流環(huán)收發(fā)器。在本設(shè)計(jì)中，采用了AD公司的AM422作為4～20 mA電流環(huán)收發(fā)器。

3 干擾分析

在CPCI總線架構(gòu)中，主卡通過(guò)總線操作電流環(huán)串口卡單獨(dú)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試時(shí)各項(xiàng)功能完全正常，通信距離及抗干擾能力等也達(dá)到了4～20 mA電流環(huán)一般設(shè)計(jì)要求。但是，在某地面測(cè)試系統(tǒng)中，主卡會(huì)通過(guò)CPCI總線操作系統(tǒng)中的繼電器卡，當(dāng)繼電器通道向外部接通12 V電源時(shí)，電流環(huán)串口卡總會(huì)異常收到幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該地面測(cè)試系統(tǒng)對(duì)外的線纜束將電流環(huán)串口信號(hào)線、繼電器信號(hào)線、I/O輸入接口信號(hào)全部捆扎在一起，當(dāng)繼電器中的觸點(diǎn)在接通與斷開時(shí)，由于電流的急劇變化，產(chǎn)生電磁干擾，通過(guò)繼電器接口信號(hào)線竄入電流環(huán)互連信號(hào)線上，從而導(dǎo)致串口數(shù)據(jù)通信錯(cuò)誤。在經(jīng)過(guò)光耦之后的接收端電路中，用示波器監(jiān)測(cè)串口接收到的TTL電平信號(hào)，可以看出在繼電器動(dòng)作時(shí)會(huì)收到大量的干擾信號(hào)波形如圖2所示。

通過(guò)查閱施密特觸發(fā)器SN75189A的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，當(dāng)輸入信號(hào)電平大于1.9 V時(shí)，芯片輸出為邏輯0；輸入信號(hào)電平小于1.0 V時(shí)，芯片輸出為邏輯1。從圖2的輸入電壓波形可以看出，干擾脈沖信號(hào)的電平已低于VIT-，從而導(dǎo)致了輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)為邏輯1，使得串口控制器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)幀。

施密特觸發(fā)器SN75189A還可以通過(guò)濾波配置電容實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)電平調(diào)整，其電容值與電壓脈寬的關(guān)系如圖3所示[5]。

參考圖3可以看出，當(dāng)濾波配置電容約500 pF時(shí)，若脈沖寬度為2 μs，脈沖幅度為2.0 V就可造成輸出翻轉(zhuǎn)，而當(dāng)脈沖寬度變?yōu)?00 ns時(shí)，脈沖幅度需要5.0 V才可造成輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。而從圖2中可以看出，受干擾時(shí)，光耦輸出信號(hào)尖峰低于2 V部分的持續(xù)時(shí)間約為2 μs，在這種情況下，施密特觸發(fā)器就識(shí)別成有效的高電平。可見(jiàn)，若干擾尖峰寬度足夠小，施密特觸發(fā)器SN75189A就會(huì)將其識(shí)別為噪聲而將其濾除，而不是識(shí)別為有效信號(hào)，從而在串口的接收端達(dá)到濾去干擾的效果。在干擾一定的情況下，可以通過(guò)提高光耦輸出高電平的幅值來(lái)減小干擾尖峰，如圖4所示。

從SN75189A的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，信號(hào)輸入端對(duì)地相當(dāng)于一個(gè)3～7 kΩ的電阻，如圖5所示[5]。從芯片內(nèi)部電路圖和實(shí)施測(cè)試情況看，這個(gè)電阻值約為5 kΩ。

可見(jiàn)，光耦輸出端負(fù)載電阻和SN75189A的輸入電阻對(duì)光耦的輸出形成了分壓關(guān)系，通過(guò)調(diào)整光耦輸出端的負(fù)載電阻值就可以調(diào)節(jié)光耦的輸出電平。

從光耦6N136的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，輸出電流Io的平均工作電流為8 mA，根據(jù)公式[（5-Vceo）RL≤8 mA]（飽和時(shí)Vceo=0），負(fù)載電阻RL不能低于[6]625 Ω。在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)RL低于750 Ω時(shí)，光耦的輸出電平最小值達(dá)到近1.0 V，光耦已經(jīng)進(jìn)入不飽和狀態(tài)。而施密特觸發(fā)器SN75189A的輸入電壓超過(guò)1.0 V就不能可靠識(shí)別為低電平，因此，當(dāng)VCC=5.0 V時(shí)，光耦上輸出端的負(fù)載電阻RL阻值采用1 kΩ為最佳狀態(tài)，能保證輸出電壓最大值約為4.2 V，輸出電壓最小值約為0.5 V，輸出電流Iceo約為5 mA，且距離最小取值750 Ω還有一定余量。

從表1中可以看出，RL取1 kΩ時(shí)，光耦輸出高電平已經(jīng)達(dá)到較高的值，若再減小，高電平幅值增大不明顯，但是距離最小值750 Ω的余量已經(jīng)不多。因此，從理論分析和實(shí)際測(cè)試的情況看，RL取1 kΩ是較為合理的值。

將RL換為1 kΩ后的干擾波形如圖6所示。從圖6中可以看出，提高輸出高電平的幅值后，干擾就被施密特觸發(fā)器濾掉，PCI轉(zhuǎn)UART橋芯片就不再錯(cuò)誤接收數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了基于CPCI總線的4～20 mA電流環(huán)串口卡基本設(shè)計(jì)方法，并分析了該電流環(huán)串口在某地面測(cè)試系統(tǒng)中被干擾的原因。通過(guò)電流環(huán)接收端電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)，較好地解決了該系統(tǒng)中繼電器動(dòng)作引入干擾對(duì)電流環(huán)串口通信的影響，提高了4～20 mA電流環(huán)串口的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立華.基于DSP的4～20 mA電流環(huán)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2008（2）：121?123.

[2] 楊金巖.4～20 mA電流變送器AD421 及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2001，24（7）：76?77.

[3] 王美玲.適合于4～20 mA 電流環(huán)的31/2 LCD 顯示表[J].儀器與儀表，2000（11）：21?22.

[4] 呂津.一種對(duì)20 mA 電流環(huán)的改進(jìn)方法[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2003（2）：37?38.

[5] Texas Instruments. SN75189A uses manual [M]. USA： Texas Instruments， 1998.

[6] NXP Semiconductor. 6N136 uses manual [M]. Netherlands： NXP Semiconductor， 2007.

施密特觸發(fā)器SN75189A還可以通過(guò)濾波配置電容實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)電平調(diào)整，其電容值與電壓脈寬的關(guān)系如圖3所示[5]。

參考圖3可以看出，當(dāng)濾波配置電容約500 pF時(shí)，若脈沖寬度為2 μs，脈沖幅度為2.0 V就可造成輸出翻轉(zhuǎn)，而當(dāng)脈沖寬度變?yōu)?00 ns時(shí)，脈沖幅度需要5.0 V才可造成輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。而從圖2中可以看出，受干擾時(shí)，光耦輸出信號(hào)尖峰低于2 V部分的持續(xù)時(shí)間約為2 μs，在這種情況下，施密特觸發(fā)器就識(shí)別成有效的高電平。可見(jiàn)，若干擾尖峰寬度足夠小，施密特觸發(fā)器SN75189A就會(huì)將其識(shí)別為噪聲而將其濾除，而不是識(shí)別為有效信號(hào)，從而在串口的接收端達(dá)到濾去干擾的效果。在干擾一定的情況下，可以通過(guò)提高光耦輸出高電平的幅值來(lái)減小干擾尖峰，如圖4所示。

從SN75189A的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，信號(hào)輸入端對(duì)地相當(dāng)于一個(gè)3～7 kΩ的電阻，如圖5所示[5]。從芯片內(nèi)部電路圖和實(shí)施測(cè)試情況看，這個(gè)電阻值約為5 kΩ。

可見(jiàn)，光耦輸出端負(fù)載電阻和SN75189A的輸入電阻對(duì)光耦的輸出形成了分壓關(guān)系，通過(guò)調(diào)整光耦輸出端的負(fù)載電阻值就可以調(diào)節(jié)光耦的輸出電平。

從光耦6N136的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，輸出電流Io的平均工作電流為8 mA，根據(jù)公式[（5-Vceo）RL≤8 mA]（飽和時(shí)Vceo=0），負(fù)載電阻RL不能低于[6]625 Ω。在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)RL低于750 Ω時(shí)，光耦的輸出電平最小值達(dá)到近1.0 V，光耦已經(jīng)進(jìn)入不飽和狀態(tài)。而施密特觸發(fā)器SN75189A的輸入電壓超過(guò)1.0 V就不能可靠識(shí)別為低電平，因此，當(dāng)VCC=5.0 V時(shí)，光耦上輸出端的負(fù)載電阻RL阻值采用1 kΩ為最佳狀態(tài)，能保證輸出電壓最大值約為4.2 V，輸出電壓最小值約為0.5 V，輸出電流Iceo約為5 mA，且距離最小取值750 Ω還有一定余量。

從表1中可以看出，RL取1 kΩ時(shí)，光耦輸出高電平已經(jīng)達(dá)到較高的值，若再減小，高電平幅值增大不明顯，但是距離最小值750 Ω的余量已經(jīng)不多。因此，從理論分析和實(shí)際測(cè)試的情況看，RL取1 kΩ是較為合理的值。

將RL換為1 kΩ后的干擾波形如圖6所示。從圖6中可以看出，提高輸出高電平的幅值后，干擾就被施密特觸發(fā)器濾掉，PCI轉(zhuǎn)UART橋芯片就不再錯(cuò)誤接收數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了基于CPCI總線的4～20 mA電流環(huán)串口卡基本設(shè)計(jì)方法，并分析了該電流環(huán)串口在某地面測(cè)試系統(tǒng)中被干擾的原因。通過(guò)電流環(huán)接收端電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)，較好地解決了該系統(tǒng)中繼電器動(dòng)作引入干擾對(duì)電流環(huán)串口通信的影響，提高了4～20 mA電流環(huán)串口的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立華.基于DSP的4～20 mA電流環(huán)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2008（2）：121?123.

[2] 楊金巖.4～20 mA電流變送器AD421 及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2001，24（7）：76?77.

[3] 王美玲.適合于4～20 mA 電流環(huán)的31/2 LCD 顯示表[J].儀器與儀表，2000（11）：21?22.

[4] 呂津.一種對(duì)20 mA 電流環(huán)的改進(jìn)方法[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2003（2）：37?38.

[5] Texas Instruments. SN75189A uses manual [M]. USA： Texas Instruments， 1998.

[6] NXP Semiconductor. 6N136 uses manual [M]. Netherlands： NXP Semiconductor， 2007.

施密特觸發(fā)器SN75189A還可以通過(guò)濾波配置電容實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)電平調(diào)整，其電容值與電壓脈寬的關(guān)系如圖3所示[5]。

參考圖3可以看出，當(dāng)濾波配置電容約500 pF時(shí)，若脈沖寬度為2 μs，脈沖幅度為2.0 V就可造成輸出翻轉(zhuǎn)，而當(dāng)脈沖寬度變?yōu)?00 ns時(shí)，脈沖幅度需要5.0 V才可造成輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。而從圖2中可以看出，受干擾時(shí)，光耦輸出信號(hào)尖峰低于2 V部分的持續(xù)時(shí)間約為2 μs，在這種情況下，施密特觸發(fā)器就識(shí)別成有效的高電平。可見(jiàn)，若干擾尖峰寬度足夠小，施密特觸發(fā)器SN75189A就會(huì)將其識(shí)別為噪聲而將其濾除，而不是識(shí)別為有效信號(hào)，從而在串口的接收端達(dá)到濾去干擾的效果。在干擾一定的情況下，可以通過(guò)提高光耦輸出高電平的幅值來(lái)減小干擾尖峰，如圖4所示。

從SN75189A的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，信號(hào)輸入端對(duì)地相當(dāng)于一個(gè)3～7 kΩ的電阻，如圖5所示[5]。從芯片內(nèi)部電路圖和實(shí)施測(cè)試情況看，這個(gè)電阻值約為5 kΩ。

可見(jiàn)，光耦輸出端負(fù)載電阻和SN75189A的輸入電阻對(duì)光耦的輸出形成了分壓關(guān)系，通過(guò)調(diào)整光耦輸出端的負(fù)載電阻值就可以調(diào)節(jié)光耦的輸出電平。

從光耦6N136的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，輸出電流Io的平均工作電流為8 mA，根據(jù)公式[（5-Vceo）RL≤8 mA]（飽和時(shí)Vceo=0），負(fù)載電阻RL不能低于[6]625 Ω。在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)RL低于750 Ω時(shí)，光耦的輸出電平最小值達(dá)到近1.0 V，光耦已經(jīng)進(jìn)入不飽和狀態(tài)。而施密特觸發(fā)器SN75189A的輸入電壓超過(guò)1.0 V就不能可靠識(shí)別為低電平，因此，當(dāng)VCC=5.0 V時(shí)，光耦上輸出端的負(fù)載電阻RL阻值采用1 kΩ為最佳狀態(tài)，能保證輸出電壓最大值約為4.2 V，輸出電壓最小值約為0.5 V，輸出電流Iceo約為5 mA，且距離最小取值750 Ω還有一定余量。

從表1中可以看出，RL取1 kΩ時(shí)，光耦輸出高電平已經(jīng)達(dá)到較高的值，若再減小，高電平幅值增大不明顯，但是距離最小值750 Ω的余量已經(jīng)不多。因此，從理論分析和實(shí)際測(cè)試的情況看，RL取1 kΩ是較為合理的值。

將RL換為1 kΩ后的干擾波形如圖6所示。從圖6中可以看出，提高輸出高電平的幅值后，干擾就被施密特觸發(fā)器濾掉，PCI轉(zhuǎn)UART橋芯片就不再錯(cuò)誤接收數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了基于CPCI總線的4～20 mA電流環(huán)串口卡基本設(shè)計(jì)方法，并分析了該電流環(huán)串口在某地面測(cè)試系統(tǒng)中被干擾的原因。通過(guò)電流環(huán)接收端電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)，較好地解決了該系統(tǒng)中繼電器動(dòng)作引入干擾對(duì)電流環(huán)串口通信的影響，提高了4～20 mA電流環(huán)串口的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立華.基于DSP的4～20 mA電流環(huán)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2008（2）：121?123.

[2] 楊金巖.4～20 mA電流變送器AD421 及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2001，24（7）：76?77.

[3] 王美玲.適合于4～20 mA 電流環(huán)的31/2 LCD 顯示表[J].儀器與儀表，2000（11）：21?22.

[4] 呂津.一種對(duì)20 mA 電流環(huán)的改進(jìn)方法[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2003（2）：37?38.

[5] Texas Instruments. SN75189A uses manual [M]. USA： Texas Instruments， 1998.

[6] NXP Semiconductor. 6N136 uses manual [M]. Netherlands： NXP Semiconductor， 2007.