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“4-20mA”与“HART”
EdwardLin广州虹科
4-20mA
工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如温度、压力、速度、角度等,这些都需要转
换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。工业上最广泛采用的是用
4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰,因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V,
但是噪声的功率很弱,所以噪声电流通常小于nA级别,因此给4-20mA传输带来的误差非
常小;电流源内阻趋于无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度,因此在普通双绞线上可
以传输数百米;由于电流源的大内阻和恒流输出,在接收端我们只需放置一个250欧姆到地
的电阻就可以获得0-5V的电压,低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产
生非常微弱的电压噪声。
上限取20mA是因为防爆的要求:20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线:正常工作时不会低于4mA,当传输线因故障断
路,环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。
最典型的是变送器需要两根电源线,加上两根电流输出线,总共要接4根线,称之为四
线制变送器。当然,电流输出可以与电源公用一根线(公用VCC或者GND),可节省一根线,
所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器。其实大家可能注意到,4-20mA电流
本身就可以为变送器供电,变送器在电路中相当于一个特殊的负载,这种变送器只需外接2
根线,因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA,因此在量程范围内,变送器
通常只有24V,4mA供电(因此,在轻负载条件下高效率的DC/DC电源(TPS54331,TPS54160),
低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器(如MSP430)对于两线制的4-20mA收
发非常重要)。这使得两线制传感器的设计成为可能而又富有挑战。
那么为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢?为了减少接线的复杂性,传感器选择2线
要比多线简单的多,2线既要传输信号,又要给传感器供电,所以设计者从中盗窃4mA电流
给传感器放大电路供电,这样4-20mA的标准就确定了。
HART
HART(HighwayAddressableRemoteTransducer),可寻址远程传感器高速通道的开放通信
协议,是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间
的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,经过10多年的发
展,HART技术在国外已经十分成熟,并已成为全球智能仪表的工业标准。
HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的4-20mA模拟信号上
叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯,数据传输率为1.2kbps。由于FSK信
号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性。
在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送,在需要的情况下,另外的测量、
过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。
HART通信采用的是半双工的通信方式,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信
号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品,因而在当前的过渡时期具有较强
的市场竞争能力,得到了较快发展。HART规定了一系列命令,按命令方式工作。它有三类
命令,第一类称为通用命令,这是所有设备都理解、都执行的命令;第二类称为一般行为命
令,所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现,这类命令包括最常用的的
现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令,以便于工作在某些设备中实现特殊功能,这
类命令既可以在基金会中开放使用,又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中
通常可发现同时存在这三类命令。
HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特
性,由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设
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