一种基于PWM波的多通道4‑20mA控制指令转换系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于PWM波的多通道4‑20mA控制指令转换系统，包括依次连接的控制器单元（1）、电平转换单元（2）、隔离变换单元（3）、低通滤波单元（4）、4‑20mA电压/电流转换单元（5）、电流信号传输线缆（6）和负载接口单元（7）；本发明专利技术由高性能、低成本广泛应用于嵌入式系统中的ARM充当CPU，由ARM的TIMX的多通道PWM波形，产生所需频率（固定）、占空比可调的多通道PWM波电压信号，将其转换成多通道4‑20mA电流输出信号，既可以提高抗干扰能力，还能实现多通道、远距离传输，且控制精度高、性能稳定、运行可靠。

A 4 20mA control command conversion system based on multi channel PWM wave

【技术实现步骤摘要】
一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统
本专利技术属于电力电子变换与控制
，具体涉及一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统。
技术介绍
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)和电物理量(例如电压、电流、电阻、磁感应强度等)，并且需要借助某些转换装置/设备(常称为变送器设备)，将它们转换成易于传输的模拟量电信号。工业现场运行实践表明，要将上述物理量可靠、安全、健康地传输到数百米外的控制室或显控装置上，最广泛的做法就是采用4～20mA电流来传输，其原因在于：(1)所传输的模拟量不容易被干扰，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率却很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此伴随4-20mA的传输带来的误差非常小；(2)由于电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中并不会影响测试或者控制精度，在常规的普通双绞线上就可以传输数百米以上；(3)采取4～20mA电流来传输模拟量时，上限取20mA是为了需要满足防爆的要求，因为20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯之类的气体；下限没有取0mA的原因是为了能检测断线故障，因为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0mA。在运行现场，工程上的常规做法是取2mA作为断线报警值；(4)由于电流源的大内阻和恒流输出，工程师经常会在接收端放置一个250欧姆到地的取样电阻，即可获得0-5V的取样电压，采用低输入阻抗的接收器的原因是nA级的输入电流噪声只会产生非常微弱的电压噪声。PWM(PulseWidthModulation)，即脉冲宽度调制技术，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，因其控制简单、灵活和动态响应好等优点，逐渐成为电力电子技术中应用最广泛的控制方式，其应用领域包括测量、通信、功率控制与变换、电动机控制、伺服控制、调光、开关电源，甚至某些音频放大器。随着智能控制技术、远程仪表技术、变频调速技术的飞速发展，4-20mA电流输出信号以其较高的抗干扰能力、简单，被广泛用于工业现场。特别是在电力电子装置中，目前基于PWM控制技术被广泛使用，进一步促进了基于PWM波的4-20mA信号转换电路的大量使用。不过，在运行实践中发现，如果不采取必要的措施，基于PWM波的4-20mA信号转换电路的精度达不到电力电子装置的控制技术要求，而不得不采用外接转换模块，虽然精度得到了进一步提高，但是价格一般较为昂贵，尤其是随着通道数的增加，既增加了成本，而且还由于外增了转换模块，使用起来方便性差、故障率高、可靠性低。本专利技术选择STM32F417作为应用实施例进行说明，但是，并不囿于该芯片充当CPU，其它如DSP、FPGA以及其它单片机等，均可以充当此用途的CPU。STM32F417的TIMx是TIMx_ARR寄存器确定频率(周期)、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。TIMx_CCRy为通道y的比较寄存器(寄存器中x代表定时器编号，y代表通道编号)，TIMx_ARR为周期寄存器，同一个定时器的所有通道共用一个周期寄存器。PWM本质上其实就是一种周期固定(即频率固定)，而高低电平的占空比可调的方波信号。脉冲宽度调制模式可以生成一个信号，该信号频率由TIMx_ARR寄存器值决定，其占空比则由TIMx_CCRx寄存器值决定，典型PWM波形，如图1-1。图1-1中的T是ARM中的计数脉冲的基本周期，也就STM32F417定时器的计数频率倒数，即ARM每隔T时间，记一次数(计数器的值增加或者减少1)；N是PWM波一个周期的计数脉冲数，也就是STM32F417的ARR-1的值(在递增计数模式下，计数器从0计数到自动重载值(TIMx_ARR寄存器的内容)，然后重新从0开始计数并生成计数器上溢事件)；n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲数，也就是STM32F417的CCRx的值(捕获/比较寄存器(TIMx_CCRx)用来锁存计数器的值)；VH和VL分别是PWM波的高低电平压值，t为时间。数学知识告诉我们，将图1-1中所示的波形进行傅里叶级数展开之后，会得到除了直流分量、基次谐波分量之外，还有大于1次的高次谐波分量。直流分量从VL到VL+VH之间变化。因此，如果能把除直流分量外的谐波过滤掉，则可以实现从输出PWM波到获得稳定、脉动成分极少的直流电压的转换过程，即PWM波可以通过一个低滤波器进行解调得到稳定的直流电压信号，再将该直流电压信号通过电压/电流转换电路，转换成4-20mA信号，以便实现远距离传输控制指令，达到按照既定策略控制被控对象的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，它特别适用于传输控制指令信号距离远、精度要求高、现场工作环境中电磁干扰强的场合。PWM作为一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。因此，PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么有(当PWM为高电平时，电力电子开关器件开通ON)，要么完全没有(当PWM为低电平时，电力电子开关器件关断OFF)。电压源或电流源是一种借助电力电子开关器件的开通(ON)而开通或借助电力电子开关器件的关断(OFF)而关断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的一个过程的累积作用，即电力电子开关器件开通(ON)的时候，就是直流供电被加到负载上的时候，反之，电力电子开关器件关断(OFF)的时候，就是供电被断开(即负载上没有加电)的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。理论研究与运行实践均表明，绝大多数负载，无论是感性负载还是容性负载，需要的调制频率都会超过数十Hz。常规做法就是将常调制频率确定为数kHz到数百kHz之间。占空比是接通持续时间(电力电子开关器件开通(ON))与周期之比(当然，调制频率为周期的倒数)。目前，运动控制系统或电动机控制系统中实现PWM的方法主要有传统的数字电路方式、专用的PWM集成电路、单片机实现方式和可编程逻辑器件实现方式。用传统的数字电路实现PWM，电路设计较复杂，体积大，抗干扰能力差，系统的控制周期较长。专用的PWM集成电路或带有PWM的单片机价格较高。对于借助单片机中无PWM输出功能的情况，实现PWM将消耗大量的时间，大大降低了CPU的效率，而且得到的PWM信号精度不太高。本专利技术设计了一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，由高性能、低成本广泛应用于嵌入式系统中的ARM充当CPU，由ARM的TIMX的多通道PWM波形，产生所需频率(固定)、占空比可调的多通道PWM波电压信号，将其转换成多通道4-20mA电流输出信号，既可以提高抗干扰能力，还能实现多通道、远距离传输，且控制精度高、性能稳定、运行可靠。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，其特征在于，该转换系统包括控制器单元、电平转换单元、隔离变换单元、低通滤波单元、4-20mA电压/电流转换单元、电流信号传输线缆和负载接口单元共计七个组成部分。现将它们说明如下：(1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于PWM波的多通道4‑20mA控制指令转换系统，其特征在于：包括依次连接的控制器单元(1)、电平转换单元(2)、隔离变换单元(3)、低通滤波单元(4)、4‑20mA电压/电流转换单元(5)、电流信号传输线缆(6)和负载接口单元(7)；控制器单元(1)产生四通道PWM波电压信号，四通道PWM波电压信号经由电平转换单元(2)处理，得到适合后续处理的电平幅值之后，再传送给隔离变换单元(3)，进行原方与副方电路之间的隔离变换处理，再将隔离变换得到的PWM波电压信号，传送给低通滤波单元(4)，将PWM方波电压信号处理得到波动幅值极小的稳定的直流电压信号，并进一步送入4‑20mA电压/电流转换单元(5)，转换成与其输入电压幅值成正比的4‑20mA电流信号，再经由电流信号传输线缆(6)，将四个通道的4‑20mA电流信号传输给负载接口单元(7)中的终端电阻RL1～RL4；控制器单元(1)与电平转换单元(2)之间通过接线端子T1～T4连接，控制器单元(1)产生的四通道PWM波信号经由接线端子T1～T4传送到电平转换单元(2)；电平转换单元(2)与隔离变换单元(3)之间通过接线端子T5～T8连接，电平转换单元(2)处理后的四通道PWM波信号经由接线端子T5～T8传送到隔离变换单元(3)；隔离变换单元(3)与低通滤波单元(4)之间通过接线端子T9～T16连接，将隔离变换单元(3)获得的PWM方波信号，可靠传输到低通滤波单元(4)中；低通滤波单元(4)与4‑20mA电压/电流转换单元(5)之间通过接线端子T17～T24连接，PWM方波电压信号被低通滤波单元(4)处理后得到的直流电压信号，再传输给4‑20mA电压/电流转换单元(5)；4‑20mA电压/电流转换单元(5)与电流信号传输线缆(6)之间通过接线端子T25～T32连接；电流信号传输线缆(6)与负载接口单元(7)之间通过接线端子T33～T40连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，其特征在于：包括依次连接的控制器单元(1)、电平转换单元(2)、隔离变换单元(3)、低通滤波单元(4)、4-20mA电压/电流转换单元(5)、电流信号传输线缆(6)和负载接口单元(7)；控制器单元(1)产生四通道PWM波电压信号，四通道PWM波电压信号经由电平转换单元(2)处理，得到适合后续处理的电平幅值之后，再传送给隔离变换单元(3)，进行原方与副方电路之间的隔离变换处理，再将隔离变换得到的PWM波电压信号，传送给低通滤波单元(4)，将PWM方波电压信号处理得到波动幅值极小的稳定的直流电压信号，并进一步送入4-20mA电压/电流转换单元(5)，转换成与其输入电压幅值成正比的4-20mA电流信号，再经由电流信号传输线缆(6)，将四个通道的4-20mA电流信号传输给负载接口单元(7)中的终端电阻RL1～RL4；控制器单元(1)与电平转换单元(2)之间通过接线端子T1～T4连接，控制器单元(1)产生的四通道PWM波信号经由接线端子T1～T4传送到电平转换单元(2)；电平转换单元(2)与隔离变换单元(3)之间通过接线端子T5～T8连接，电平转换单元(2)处理后的四通道PWM波信号经由接线端子T5～T8传送到隔离变换单元(3)；隔离变换单元(3)与低通滤波单元(4)之间通过接线端子T9～T16连接，将隔离变换单元(3)获得的PWM方波信号，可靠传输到低通滤波单元(4)中；低通滤波单元(4)与4-20mA电压/电流转换单元(5)之间通过接线端子T17～T24连接，PWM方波电压信号被低通滤波单元(4)处理后得到的直流电压信号，再传输给4-20mA电压/电流转换单元(5)；4-20mA电压/电流转换单元(5)与电流信号传输线缆(6)之间通过接线端子T25～T32连接；电流信号传输线缆(6)与负载接口单元(7)之间通过接线端子T33～T40连接。2.根据权利要求1所述的一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，其特征在于：所述控制器单元(1)采用芯片A1作为CPU，芯片的型号为STM32F417，利用它的定时器TIM5中的四个通道，即TIM5_CH1、TIM5_CH2、TIM5_CH3和TIM5_CH4产生四通道周期固定、占空比可调的PWM波；电平转换单元(2)采用芯片A2实现，用以完成四通道3.3V和5V双向电平转换；TIM5_CH1对应控制器单元(1)的芯片A1的第34脚，TIM5_CH2对应芯片A1的第35脚，TIM5_CH3对应芯片A1的第36脚，TIM5_CH4对应芯片A1的第37脚，芯片A1的第34脚与电平转换单元(2)的芯片A2的第2脚相连，芯片A2的第2脚与接线端子T1相连；芯片A1的第35脚与芯片A2的第3脚相连，芯片A2的第3脚与接线端子T2相连；芯片A1的第36脚与芯片A2的第4脚相连，芯片A2的第4脚与接线端子T3相连；芯片A1的第37脚与芯片A2的第5脚相连，芯片A2的第5脚与接线端子T4相连。3.根据权利要求2所述的一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，其特征在于：所述控制器单元(1)中芯片A1的第105脚、第109脚、第110脚、第133脚和第25脚接编程接口J1，芯片A1的第138脚接电阻RA1的一端，电阻RA1的另一端接地线GND1，芯片A1的第6脚接电源UDD，芯片A1的第6脚接电容CA1的一端，电容CA1的另一端接地线GND1；芯片A1的第33脚接电感LA1的一端，电感LA1的另一端接电源US1+；芯片A1的第33脚同时接电容CA3的正极和电容CA2的一端，电容CA3的负极和电容CA2的另一端同时接地线GND1；芯片A1的第31脚接地线GND1，芯片A1的第121脚接电源US1+，该引脚同时接电容CA4的一端，电容CA4的另一端接地线GND1；芯片A1的第23脚接电容CA5的一端，电容CA5的另一端接地线GND1；晶振Y1的外壳接地线GND1，晶振Y1的一端接芯片A1的第23脚，晶振Y1的另一端接电阻RA2的一端，电阻RA2的另一端同时接电容CA6的一端，电容CA6的另一端接地线GND1；芯片A1的第106脚接电容CA7的一端，电容CA7的另一端接地线GND1；芯片A1的第71脚接电容CA8的一端，电容CA8的另一端接地线GND1；芯片A1的第143脚接电容CA9的一端，电容CA9的另一端接地线GND1；芯片A1的第143脚接电感LA2的一端，电感LA2的另一端同时接电源US1+和电容CA10的一端，电容CA10的另一端接地线GND1；芯片A1的第8脚接电容CA11的一端，电容CA11的另一端接地线GND1；晶振Y2的一端接芯片A1的第8脚，晶振Y2的另一端接芯片A1的第9脚；芯片A1的第9脚接电容CA12的一端，电容CA12的另一端接地线GND1；芯片A1的第120脚接地线GND1。4.根据权利要求3所述的一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，其特征在于：所述电平转换单元(2)的芯片A2的第1脚接电源US1+，芯片A2的第2脚与接线端子T1相连，芯片A2的第3脚与接线端子T2相连，芯片A2的第4脚与接线端子T3相连，芯片A2的第5脚与接线端子T4相连，芯片A2的第7脚与地线GND1相连，芯片A2的第8脚与隔离变换单元(3)的接线端子T8相连，芯片A2的第10脚与隔离变换单元(3)的接线端子T7相连，芯片A2的第11脚与隔离变换单元(3)的接线端子T6相连，芯片A2的第12脚与隔离变换单元(3)的接线端子T5相连；芯片A2的第13脚接电源US2+，该引脚同时与电容CA14的一端相连，电容CA14的另一端接地线GND1，芯片A2的第14脚和第1脚相连，芯片A2的第14脚接电容CA13的一端，电容CA13的另一端接地线GND1。5.根据权利要求4所述的一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，其特征在于：所述隔离变换单元(3)包括芯片A3和芯片A4，芯片A3是数字隔离芯片，用以完成4路PWM波形的隔离变换处理，芯片A4是稳压电源芯片；芯片A3的第1脚和第7脚同时连接电容C1的一端，且电容C1的该端同时连接电源US2+，电容C1的另一端和芯片A3的第2脚相连，芯片A3的第2脚与地线GND1相连，隔离变换单元(3)的芯片A3的第3脚与接线端子T5相连，芯片A3的第4脚与接线端子T6相连，芯片A3的第5脚与接线端子T7相连，芯片A3的第6脚与接线端子T8相连，芯片A3的第7脚与芯片A3的第1脚相连，芯片A3的第8脚连接地线GND1；芯片A3的第9脚与地线GND2相连，芯片A3的第10脚和芯片A3的第16脚同时接电容C2的一端，电容C2的另一端与芯片A3的第15脚相连，芯片A3的第11脚与低通滤波单元(4)的接线端子T15相连，芯片A3的第12脚与低通滤波单元(4)的接线端子T13相连，芯片A3的第13脚与低通滤波单元(4)的接线端子T11相连，芯片A3的第14脚与低通滤波单元(4)的接线端子T9相连，芯片A3的第15脚与地线GND2相连，芯片A3的第16脚与芯片A4的第1脚相连；芯片A3的第9脚分出4根接线端子T10、T12、T14和T16，因此，4根接线端子T10、T12、T14和T16同时与地线GND2相连；芯片A4的第1脚与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与GND2相连，芯片A4的第2脚和第6脚同时与电源US3+相连，芯片A4的第4脚与地线GND2相连，电容C3的一端同时与芯片A4的第2脚和第6脚相连，电容C3的另一端和地线GND2相连。6.根据权利要求5所述的一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，其特征在于：所述低通滤波单元(4)包括第一低通滤波电路(4-1)、第二低通滤波电路(4-2)、第三低通滤波电路(4-3)、第四低通滤波电路(4-4)；第一低通滤波电路(4-1)包括第一滤波器组件(4-1-1)、第二滤波器组件(4-1-2)、第三滤波器组件(4-1-3)、第四滤波器组件(4-1-4)；第一滤波器组件(4-1-1)、第二滤波器组件(4-1-2)、第三滤波器组件(4-1-3)、第四滤波器组件(4-1-4)分别包括芯片A5A、芯片A5B、芯片A...

【专利技术属性】
技术研发人员：李维波，华逸飞，余万祥，康兴，李巍，何凯彦，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42