基于國產CPU的4-20mA電流變送器在工業控制中的應用研究

摘要：隨著工業自動化的發展，4-20mA電流變送器在工業控制中發揮著舉足輕重的作用。國產CPU技術的崛起，為提升工業控制系統的自主性與安全性帶來了契機。本研究聚焦于基于國產CPU的4-20mA電流變送器在工業控制中的應用，旨在突破技術瓶頸，優化系統性能，增強我國工業控制的自主可控能力。研究采用理論分析與實驗驗證相結合的方法，剖析基于國產CPU的4-20mA電流變送器與國外設備的差異，進而針對協同應用與工業控制設計硬件接口與軟件算法。預期成果是形成一套高效、穩定且自主可控的工業控制應用方案，提高信號采集精度與系統響應速度，以期推動國產CPU在工業控制領域的廣泛應用。

關鍵詞：國產CPU；4-20mA；電流變送器；工業控制

中圖分類號：TP3" " " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）07-0110-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

當前，全球制造業競爭日益激烈，工業控制技術對于提升國家產業競爭力和保障經濟安全具有重要意義。工業4.0與智能制造的推進，使工業生產對自動化、智能化以及技術自主可控性的要求更高。我國工業控制長期依賴進口CPU，面臨斷供與信息安全風險。4-20mA電流變送器在工業控制領域應用廣泛，傳統基于國外CPU的方案無法解決自主可控的問題。因此，研究基于國產CPU的4-20mA電流變送器應用，對提高國產CPU使用率與推動工業發展起到重要作用。

1 基于國產CPU的4-20mA電流變送器與國外設備的差異

國產CPU在設計上更側重本土工業應用的實際需求。如在工業自動化領域，國產某些型號CPU著重增強對模擬信號處理的硬件加速模塊，針對4-20mA電流信號這種工業常見模擬量，更高效地進行前端采集與初步處理。因為國產研發團隊深入了解國內工業環境復雜、干擾源多的特點，通過硬件層面優化，增強抗干擾能力，確保在惡劣工業環境下，4-20mA電流信號能穩定、準確地被采集。與之不同，非國產CPU在設計時更多考慮通用性，在應對復雜工業環境時，可能需要額外的外部電路來彌補信號處理方面的短板。

部分國產CPU在與4-20mA電流變送器搭配時，采用高度集成化的設計思路，將信號調理、模數轉換等功能模塊與CPU核心集成在同一芯片或同一電路板上，減少外部連接線路，降低信號傳輸損耗和干擾風險。以某款國產工業控制芯片為例，其將4-20mA電流信號調理電路直接集成在芯片內部，使整個變送器系統體積更小、可靠性更高。而非國產CPU下的電流變送器系統，硬件集成度參差不齊，部分產品各功能模塊相對獨立，導致系統體積較大，且因線路連接增多，在工業現場復雜電磁環境下，信號傳輸穩定性受到影響。

2 基于國產CPU的4-20mA電流變送器系統協同應用

2.1 硬件接口安裝

4-20mA電流信號可通過精密電阻轉換為國產CPU可處理的電壓信號。選取高精度、低溫漂采樣電阻，將4-20mA電流信號轉換為相應電壓信號。如使用250Ω精密電阻，依據歐姆定律[U=IR]，4mA電流對應1V電壓，20mA電流對應5V電壓。采樣電阻精度：0.1%，保證轉換后電壓信號的準確性。電阻溫度系數為50ppm/℃，減小溫度對采樣精度的影響。以儀表放大器INA128為例，其增益可設為10，將1～5V電壓信號放大至10～50V，以適配國產CPU的ADC輸入范圍（假設國產CPU的ADC輸入范圍為0～50V） 。同時，在放大器前后級添加RC濾波電路，其中：[R=1kΩ]，[C=0.1μF]，截止頻率[fc=12πRC≈1.6kHz]，可以實現濾除高頻噪聲。具體如表1所示。

當國產CPU支持SPI通信協議，可通過SPI接口實現與4-20mA電流變送器的數據交互，假設電流變送器內置SPI接口芯片。SPI接口引腳連接：將國產CPU的SPI時鐘引腳（SCK） 連接至電流變送器SPI接口芯片的SCK引腳，CPU的主機輸出從機輸入引腳（MOSI） 連接到芯片的MOSI引腳，CPU的主機輸入從機輸出引腳（MISO） 連接到芯片的MISO引腳，CPU的從機選擇引腳（SS） 連接到芯片的SS引腳。通信速率設置應依據系統需求和電流變送器SPI接口芯片的支持范圍設定SPI通信速率，電流變送器SPI接口芯片支持最高10MHz通信速率，考慮工業環境電磁干擾及數據處理能力，將SPI通信速率設為5MHz。SPI模式設為SPI模式0，即[CPOL=0]時鐘空閑時為低電平，[CPHA=0]數據在時鐘上升沿采樣；數據位寬為8位，每次傳輸8位數據，符合常見SPI通信規范[1]。

2.2 電源管理

采用開關電源模塊實現AC-DC轉換，如選用輸入電壓范圍為AC85-265V，且輸出為DC24V的開關電源模塊，如明緯的NES-35-24，功率35W，將市電轉換為穩定的24V直流電壓，為后續電路供電。

不同組件如國產CPU需3.3V供電，電流變送器需5V供電，使用DC-DC轉換芯片進行降壓或升壓。以國產CPU供電為例，采用LM2596S-ADJ降壓型DC-DC轉換芯片將24V轉換為3.3V。通過調整芯片反饋引腳的電阻R1和R2比值設定輸出電壓，計算公式為[Vout=1.23V×1+1.47kΩ1kΩ≈3.3V]，假設[R1=1kΩ]，[R2=1.47kΩ]，則[Vout=1.23V×1+1.47kΩ1kΩ≈3.3V]，該芯片最大輸出電流達3A，滿足多數國產CPU電流需求。轉換效率滿載時約80%，有效減少能量損耗。

為確保系統穩定運行，對轉換后的電壓進行穩壓處理，在DC-DC轉換芯片輸出端使用低壓差線性穩壓器（LDO） AMS1117-3.3進行二次穩壓，進一步穩定電壓，減少電壓波動；輸出電壓精度為±1%，1A負載時壓差約1.2V，確保不同負載下輸出電壓穩定在3.3V左右。

2.3 軟件系統架構

針對國產CPU硬件特性開發設備驅動程序以保障其正常工作，對于國產CPU的各類外設，如GPIO（通用輸入輸出） 、ADC（模擬數字轉換器） 、SPI（串行外設接口） 等，編寫相應驅動代碼。以龍芯CPU為例，運用其開發工具鏈（如龍芯開發套件） 開發GPIO驅動程序，通過配置寄存器控制GPIO引腳輸入輸出模式[2]。

開發4-20mA電流變送器驅動程序，實現與電流變送器的通信和控制，當采用SPI通信協議，使用SPI驅動程序發送和接收數據。設備初始化時，向電流變送器發送特定配置命令，如[0x01]表示量程為[0-100]，[0x02]表示零點校準。讀取電流變送器數據時，通過SPI驅動程序讀取其寄存器數據，并將其轉換為實際物理量值。根據公式[I=4mA+Vmeasured-1V×16mA4V]，假設使用250Ω采樣電阻將電流轉換為電壓，將采集的電壓值轉換為相應電流值，進而轉換為物理量。4mA表示零點，16mA表示量程范圍，1V與4V由采樣電阻和電流范圍轉換得到電壓范圍。

3 基于國產CPU的4-20mA電流變送器工業控制應用

3.1 過程控制

通過高精度采樣電阻（例如250Ω，精度0.1%，溫度系數50ppm/℃） 將4-20mA電流信號轉換為電壓信號，依據歐姆定律，4mA對應1V，20mA對應5V。將轉換后的電壓信號接入國產CPU內置的ADC（模擬數字轉換器） 通道，或利用外部ADC芯片（如ADS1115，16位分辨率） 進行轉換；當使用內置ADC，需確保其輸入電壓范圍與轉換后的電壓信號相符，如0-5V。配置ADC采樣參數，當國產CPU的ADC支持多種采樣頻率，將采樣頻率設置為10kHz，以滿足多數工業制造場景的信號采集實時性需求；對于12位分辨率的ADC，可將0-5V電壓范圍量化為4096個等級。編寫中斷服務程序或輪詢程序讀取ADC轉換后的數據，如采用中斷方式，當ADC完成一次轉換便觸發中斷，在中斷服務程序中讀取轉換結果并存儲至指定內存區域[3]。具體過程控制項目參數如表2所示。

3.1.1 控制算法實現

在軟件中落實PID（比例-積分-微分） 控制算法，依據設定值與實際測量值的偏差計算控制輸出。以溫度控制為例，比例系數Kp設為0.5，積分系數Ki設為0.1，微分系數Kd設為0.05，控制周期T設為50ms。計算公式為[ut=Kpet+Kii=0teiT+Kdet-et-TT]。

式中，[ut]為控制輸出，[et]為當前時刻偏差，[et-T]為上一時刻偏差。邏輯控制算法依照工業過程工藝要求編寫邏輯控制程序，如液位高于上限值時關閉進水閥，液位低于下限值時打開進水閥[4]。

3.1.2 數據處理

為去除采集數據中的噪聲干擾，采用數字濾波算法，如滑動平均濾波法，設置濾波窗口大小N為10，即每次采集新數據后，計算最近10個數據平均值作為有效數據，其計算公式為[x=1Ni=0N-1xi]。式中：[x]為濾波后平均值，[xi]為第i個采樣數據。部分傳感器輸出信號與被測量間可能存在非線性關系，需進行線性化處理。通過最小二乘法擬合得到線性方程[y=ax+b]，其中，y為被測量實際值，x為采集并經濾波處理后的數據，a與b為擬合系數，如某壓力傳感器經標定得到[a=0.1]，[b=0]，則壓力值[y=0.1x]。

3.1.3 執行機構驅動

依據邏輯控制算法或PID控制算法輸出結果，設置GPIO引腳電平狀態，如控制算法要求啟動電機時，將對應GPIO引腳設為高電平；要求停止電機時，設為低電平。模擬量執行機構將PID控制算法計算得出的控制輸出值（數字量） 通過DA模塊轉換為模擬電壓或電流信號，如將0-4095范圍的控制輸出值轉換為0-10V模擬電壓信號用于控制調節閥開度，控制輸出值與模擬電壓信號轉換關系為[V=104095u]，其中，V為模擬電壓值，u為控制輸出值。

3.1.4 監控報警

通過串口、以太網等通信接口，將采集數據、控制參數和系統狀態發送到上位機（如工控機、PLC等） 實時顯示，設置通信波特率為115200bps，采用ModbusRTU或TCP/IP協議進行數據傳輸。在上位機使用監控軟件（如WinCC、組態王等） 展示實時數據曲線、報警信息等，便于操作人員實時掌握工業過程運行狀態。設定關鍵參數上下限閾值，如溫度上限100℃，下限20℃；壓力上限5MPa，下限1MPa，當采集數據超出閾值范圍，系統判定為故障，觸發聲光報警，并將故障信息（如故障時間、故障類型、故障參數值等） 記錄到日志文件，便于后續分析處理。

3.2 制造自動化

選用國產實時操作系統，如麒麟V10實時版，該系統具備高實時性與穩定性，可滿足工業制造自動化對響應速度和可靠性的嚴苛要求；采用國產CPU廠商提供的開發工具鏈，結合C/C++語言開展軟件開發工作。在軟件內實現PID（比例-積分-微分） 控制算法，依據設定值與實際測量值之間的偏差，計算得出控制輸出，如在溫度控制場景中，比例系數（Kp） 設定為0.5，積分系數（Ki） 設定為0.1，微分系數（Kd） 設定為0.05，控制周期設定為50ms。依照工業制造工藝的具體要求，編寫邏輯控制程序，如當溫度達到設定上限時，控制程序執行關閉加熱設備的指令；當壓力低于設定下限時，控制程序啟動加壓設備。通過國產CPU的GPIO（通用輸入輸出） 引腳輸出高低電平信號，以此控制繼電器，進而實現對電機啟停的控制，輸出高電平（3.3V） 時，電機啟動；輸出低電平（0V） 時，電機停止。利用DA模塊將數字控制信號轉換為模擬電壓信號，從而控制調節閥的開度，如將0-4095的數字量轉化為0-10V的模擬電壓輸出，0V對應調節閥完全關閉，10V對應調節閥完全打開[5]。

采樣頻率配置ADC采樣頻率為10kHz，可快速捕捉工業制造過程物理量變化，滿足多數工業場景信號采集實時性需求。分辨率12位分辨率的ADC將0-5V電壓范圍量化為4096個等級，量化精度約1.22mV，保證采集數據準確。多通道采集當需同時監測溫度、壓力、流量等多物理量，利用ADC多通道功能，如同時采集3路溫度、2路壓力和1路流量信號，全面獲取工業制造過程信息。依據工業制造工藝要求編寫邏輯控制程序，如灌裝生產線，檢測到瓶子到位信號，傳感器轉化為數字信號接入CPU時，控制灌裝閥開啟；檢測到灌裝量達設定值，控制灌裝閥關閉。

4 結束語

基于國產CPU的4-20mA電流變送器在工業控制領域潛力巨大，融合其自主可控與穩定信號傳輸特性，構建高效、可靠、安全的控制系統。從硬件接口到電源管理，再到軟件架構與控制實現，各環節緊密配合，推進工業控制國產化，推動工業生產領域快速發展。但目前仍存在諸多挑戰，如CPU性能提升、軟件生態完善及設備兼容性優化，未來有望與新興技術融合，推動工業控制向智能化、網絡化方向發展。

參考文獻：

[1] 呂鵬勃，何志強.智能壓力變送器的功能安全自診斷[J].自動化與儀器儀表，2023（4）：301-304.

[2] 王福仁.基于LabVIEW與PLC的弧焊波形采集系統研究[J].南方農機，2024，55（15）：148-152，167.

[3] 劉忠強，張立，張春曉，等.4～20 mA壓力變送器的研制[J].山西電子技術，2023（4）：101-104.

[4] 張易初.WIA-PA工業無線傳感器網絡系統的設計與應用[J].電子技術，2024（7）：10-12.

[5] 低成本4～20 mA振動速度變送器適用于工業振動監測[J].設備管理與維修，2023（6）：前插1.

【通聯編輯：代影】