CN111294267B - 基于4-20mA电流环路的多机数据通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于4‑20mA电流环路的多机数据通信系统，涉及4‑20mA电流环路领域，该系统将多个主机级联于4‑20mA电流环路中，利用电流环路作为唯一的供电设施同时由于唯一的通信媒介，主机和中心站可以对需要传输的数据调制到4‑20mA电流环路上，或者，将4‑20mA电流环路上的数据解调下来，从而可以实现测量站的主机之间、测量站主机与中心站之间的通信，双向传输所需的数据，在4‑20mA环路上真正实现了灵活组网和数据通信。

Description

基于4-20mA电流环路的多机数据通信系统

技术领域

本发明涉及4-20mA电流环路领域，尤其是一种基于4-20mA电流环路的多机数据通信系统。

背景技术

在某些工业监测环境(比如封闭的输气管道或输油管道)中，传感器/变送器也被放置在被其检测的环境中。随着时间和外部环境的变化，某些指标的漂移(即使是缓慢的)和参考量的变化是不可避免的，这就导致变送器传输过来的值并不能准确无误地代表真正的现场环境。如果依靠人工定期去当地测量并修改变送器的相关参数，不但耗时耗力的，而且并不能实现动态的实时修正。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于4-20mA电流环路的多机数据通信系统，本发明的技术方案如下：

一种基于4-20mA电流环路的多机数据通信系统，该系统包括中心站、4-20mA电流环路、第二主机以及若干个第一主机，若干个第一主机和第二主机依次串联，串联电路的一端连接4-20mA电流环路的正相线缆的第一端，串联电路的另一端连接4-20mA电流环路的负相线缆的第一端；4-20mA电流环路的正相线缆的第二端和负相线缆的第二端均连接中心站；

每个第一主机中分别包括第一处理控制器、第一调制解调器和第一电源管理芯片，第二主机中包括第二处理控制器、第二调制解调器、第二电源管理芯片、电压控制电流源和传感器组件，中心站包括环路电源、第三处理控制器、第三调制解调器和模数转换电路；中心站通过环路电源为第一主机和第二主机提供电压，第一主机通过第一电源管理芯片从4-20mA电流环路获得工作电压，第二主机通过第二电源管理芯片从4-20mA电流环路获得工作电压；

第二主机通过传感器组件获取现场采集值，并通过电压控制电流源产生与现场采集值对应的环路直流电流，环路直流电流根据现场采集值在4-20mA范围内线性变化；中心站通过模数转换电路采样环路直流电流转换为数字信号；

第二主机还通过电压控制电流源将通信数据调制成模拟信号叠加在环路直流电流上在4-20mA电流环路上进行传输，和/或，通过第二调制解调器对4-20mA电流环路上传输的叠加在环路直流电流上的模拟信号解调得到其他设备的通信数据，实现与其他设备的数据通信；各个第一主机以及中心站中的任意一个设备还通过内置的调制解调器将通信数据调制成模拟信号叠加在环路直流电流上在4-20mA电流环路上进行传输，和/或，通过内置的调制解调器对4-20mA电流环路上传输的叠加在环路直流电流上的模拟信号解调得到其他设备的通信数据，实现与其他设备的数据通信。

其进一步的技术方案为，第一主机、第二主机和中心站采用的调制解调方式为FSK、数据率为1200bps、采用半双工模式，调制形成的模拟信号的频率为2kHz。

其进一步的技术方案为，每个主机的最大工作电流低于4mA。

其进一步的技术方案为，中心站的环路电源提供的环路的电压在18V～40V范围内，每个第一主机产生的压降为4.8V～9.6V，多机数据通信系统中串联的第一主机的数量不超过3个。

其进一步的技术方案为，多机数据通信系统采用主从协议通信方式，其中一台主机为主设备、其他为从设备，主设备发起或结束一个通信，从设备之间的通信由主设备进行中转。

其进一步的技术方案为，当确定4-20mA电流环路上传输的环路直流电流上未叠加模拟信号时，中心站通过模数转换电路采样环路直流电流。

其进一步的技术方案为，每个第一主机还包括传感器组件、稳压管、第一电阻、第一电容和第二电容，第一主机的第一端连接第一电源管理芯片和稳压管的阴极，稳压管的阳极通过第一电阻连接第一主机的第二端；第一电源管理芯片还连接第一处理控制器、传感器组件和第一调制解调器，第一电源管理芯片、第一处理控制器、传感器组件和第一调制解调器的接地端均相连并连接稳压管的阳极；第一处理控制器分别连接传感器组件和第一调制解调器，第一调制解调器分别通过第一电容和第二电容连接第一主机的第二端；第一主机通过第一端和第二端串联在4-20mA电流环路中；其中，稳压管的压降为3.6V、第一电阻的阻值为300Ω。

其进一步的技术方案为，第二主机还包括第三电容和第四电容，第二主机的第一端连接第二电源管理芯片，第二主机的第一端还通过第三电容连接第二调制解调器，第二电源管理芯片还分别连接第二处理控制器、第二调制解调器、传感器组件和电压控制电流源，第二处理控制器连接第二调制解调器和传感器组件，第二调制解调器通过第四电容连接电压控制电流源，电压控制电流源连接第二主机的第二端；第二主机通过第一端和第二端串联在4-20mA电流环路中。

其进一步的技术方案为，中心站还包括采样电阻和第三电源管理芯片，第三电源管理芯片的输入端连接中心站电源、输出端分别连接第三调制解调器、第三处理控制器和模数转换电路进行供电，第三电源管理芯片、第三调制解调器、第三处理控制器和模数转换电路的接地端均连接本地电源参考地；采样电阻和环路电源串联并串联在4-20mA电流环路中，第三调制解调器通过隔直电容连接采样电阻的正端，采样电阻的负端连接本地电源参考地，模数转换电路连接在采样电阻的两端，第三调制解调器和模数转换电路均连接第三处理控制器。

其进一步的技术方案为，第一主机采用即插即用方式，4-20mA电流环路预留两个接线端子，当第一主机未接入4-20mA电流环路时，4-20mA电流环路的两个接线端子之间通过导线短接；当第一主机接入4-20mA电流环路时，移去两个接线端子之间的导线并将第一主机的两端插入接线端子中。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种基于4-20mA电流环路的多机数据通信系统，该系统将多个主机级联于4-20mA电流环路中，利用电流环路作为唯一的供电设施同时由于唯一的通信媒介，可以实现测量站的主机之间、测量站主机与中心站之间的通信，双向传输所需的数据，在4-20mA环路上真正实现了灵活组网和数据通信。当应用于工业测量领域时，第一主机可以是各类环境参数测量设备，第二主机可以是变送器设备，则变送器设备可以通过该通信系统利用环境参数测量设备获取环境参数，以达到测量的精确性和实时性。

附图说明

图1是本申请公开的多机数据通信系统的电路结构图。

图2是第一主机的电路结构图。

图3是第二主机的电路结构图。

图4是中心站的电路结构图。

图5是第一主机采用即插即用方式时的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种基于4-20mA电流环路的多机数据通信系统，请参考图1，该系统包括中心站、4-20mA电流环路、第二主机以及若干个第一主机，可以有一个第一主机、也可以有多个第一主机。若干个第一主机和第二主机依次串联，串联电路的一端连接4-20mA电流环路的正相线缆的第一端，串联电路的另一端连接4-20mA电流环路的负相线缆的第一端，从而使得第二主机和第一主机串联在4-20mA电流环路上。4-20mA电流环路的正相线缆的第二端和负相线缆的第二端均连接中心站。

每个第一主机中分别包括第一处理控制器、第一调制解调器和第一电源管理芯片。第二主机中包括第二处理控制器、第二调制解调器、第二电源管理芯片、电压控制电流源和传感器组件，中心站包括环路电源、第三处理控制器、第三调制解调器和模数转换电路。中心站通过环路电源为第一主机和第二主机2提供电压，为保证在4-20mA的范围内都能正常工作，由中心站提供的环路的电压在18V～40V范围内。由于第一主机和第二主机采用串联的级联方式，它们共享环路上的环路直流电流作为自身的工作电流，第一主机通过第一电源管理芯片从4-20mA电流环路获得工作电压，第二主机通过第二电源管理芯片从4-20mA电流环路获得工作电压。

请参考图2所示的第一主机的电路图，第一主机还包括传感器组件、稳压管D1、第一电阻R1、第一电容C1和第二电容C2，第一主机的第一端连接第一电源管理芯片和稳压管的阴极，稳压管D1的阳极通过第一电阻R1连接第一主机的第二端。第一电源管理芯片还连接第一处理控制器、传感器组件和第一调制解调器，第一电源管理芯片、第一处理控制器、传感器组件和第一调制解调器的接地端均相连并连接稳压管D1的阳极。第一处理控制器分别连接传感器组件和第一调制解调器，第一调制解调器分别通过第一电容C1和第二电容C2连接第一主机的第二端。第一主机通过第一端和第二端串联在4-20mA电流环路中。

如图2所示，从电流环路上过来的电流通过第一主机的第一端流经稳压管D1和第一电阻R1，第一主机获取所需的工作电压。第一电源管理芯片负责给第一主机内部的其他电路提供稳定的电压，通常采用LDO芯片实现，它的输入电压就是稳压管D1的电压，是一个相对比较稳定的输入电压，输出电压取决于主电路里各个器件的工作电压，主电路的器件的地都接在一个参考点，它也是电流流回电流环路的汇集点。流入第一电源管理芯片的电流I1不大于4mA，实际约为3mA左右，这个电流供应主电路，最终流回电流环路。稳压管D1的压降为3.6V、第一电阻R1的阻值为300Ω，电流环路上的电流在4mA-20mA范围内，在第一电阻R1上面的压降相应为1.2V-6V，则在稳压管D1和第一电阻R1上产生的总压降为4.8V～9.6V。

在第一主机中，第一处理控制器可以由多个不同功能的芯片组成、也可以是一颗集成的单芯片电路比如SoC，可以采用现有市售芯片搭建而成，主要用于对信号进行控制以及必要的数字处理。第一处理控制器获取传感器组件采集到信号并对其加以信号调理和必要的数字处理产生需要传输的通信数据，通过合适的接口传递给第一调制解调器，第一调制解调器将通信数据调制成模拟信号(通常是调制成一个250uA的交流电流)叠加在环路直流电流上在4-20mA电流环路上进行传输。或者，4-20mA电流环路上传输的叠加在环路直流电流上的模拟信号会在第一电阻R1上产生相应的交流电压而被第一调制解调器获取，第一调制解调器对其进行解调可以得到其他设备的通信数据，实现与其他设备的双向数据通信。

请参考图3所示的第二主机的电路图，第二主机还包括第三电容C3和第四电容C4，第二主机的第一端连接第二电源管理芯片，第二主机的第一端还通过第三电容C3连接第二调制解调器，第二电源管理芯片还分别连接第二处理控制器、第二调制解调器、传感器组件和电压控制电流源，第二处理控制器连接第二调制解调器和传感器组件，第二调制解调器通过第四电容C4连接电压控制电流源VCCS，电压控制电流源连接第二主机的第二端，第二主机通过第一端和第二端串联在4-20mA电流环路中。上述电路结构中各个器件的实现与第一主机中各器件类似，本申请不再赘述。

第二主机通过第一端接收来自第一主机的电流，该电流经过第二主机后流回电流环路，电流环路上剩余的压降被第二电源管理芯片用来输出一个稳定的电压共第二主机的电路工作。由于第一主机的压降为4.8V～9.6V，当中心站的环路电源提供的电压为18V时，第二主机的压降范围为8.4V～13.2V，这是一个非常合适的电压范围，不至于在第二主机上产生过多的剩余能量而发烫。

第二主机中，第二处理控制器通过传感器组件获取现场采集值，传递给VCCS而产生对应于采集值的恒定电流，即为环路直流电流，环路直流电流根据现场采集值在4-20mA范围内线性变化。也就是说，电流环路上的环路直流电流由第二主机决定和产生，整个电流环路有且仅有一个环路直流电流，这个环路直流电流只跟现场采集值有关，不会因为主机间的数据传输而改变。

另外，第二主机中的第二处理控制器还负责传感器控制数据收发：在发送通信数据时，第二处理控制器通过VCCS将通信数据调制成模拟信号叠加在环路直流电流上在4-20mA电流环路上进行传输。在接收数据时，第二处理控制器通过第二调制解调器直接利用第三电容C3对4-20mA电流环路上传输的叠加在环路直流电流上的模拟信号解调得到其他设备的通信数据，实现与其他设备的双向数据通信。

第二主机除了通过改变电流环路的环路直流电流将现场采集值传递给中心站之外，第一主机和第二主机都还可以通过电流环路与中心站进行数据通信。

请参考图4所示的中心站的电路图，中心站还包括采样电阻Rs和第三电源管理芯片，第三电源管理芯片的输入端连接中心站电源、输出端分别连接第三调制解调器、第三处理控制器和模数转换电路进行供电，第三电源管理芯片、第三调制解调器、第三处理控制器和模数转换电路的接地端均连接本地电源参考地。采样电阻Rs和环路电源串联并串联在4-20mA电流环路中，第三调制解调器通过隔直电容C5和C6连接采样电阻Rs的正端，采样电阻Rs的负端连接本地电源参考地。模数转换电路连接在采样电阻Rs的两端，第三调制解调器和模数转换电路均连接第三处理控制器。

由图4可知，中心站用于通信的电路结构与第一主机类似，所不同的是，不像位于测量地的第一主机那样缺乏本地电源，中心站的供电无需再从电流环路中获得。本地的中心站电源和环路电源是隔离的，由第三电源管理芯片向中心站中其他电路提供稳定的工作电压Vps。

采样电阻Rs可以将4-20mA电流环路上的环路直流电流转换成电压，供模数转换电路获取并转换为数字信号后提供给第三处理控制器，从而使得中心站获取到现场采集值。调制在直流电流上的交流模拟电流其平均值为0，中心站可以采用适当的电路或软件算法滤除该交流电流而获取现场采集值。也可以通过约定的通信协议确保电流环路上没有含有数据信息的模拟信号，亦即当确定4-20mA电流环路上传输的环路直流电流上未叠加交流模拟信号时，中心站才通过模数转换电路采样环路直流电流。

另外，中心站还使用与第一主机类似的调制解调技术进行双向数据通信，当中心站向第一主机或第二主机发送数据时，第三处理控制器通过第三调制解调器将通信数据调制成模拟信号叠加在环路直流电流上在4-20mA电流环路上进行传输。当中心站接收数据时，环路直流电流上叠加的模拟信号会在采样电阻Rs上产生交流的电压，可以被第三调制解调器通过隔直电容C5、C6获取并解调得到通信数据，实现双向的数据通信。

另外，第一主机可以做成手持机，采用即插即用方式，4-20mA电流环路预留两个接线端子，当第一主机无需接入4-20mA电流环路时，4-20mA电流环路的两个接线端子之间通过导线短接。当需要将第一主机接入4-20mA电流环路时，移去两个接线端子之间的导线并将第一主机的两端插入接线端子中，如图5所示。比如在工业应用时，该系统中的第二主机通常为变送器设备，第一主机通常是各类环境参数采集设备，第一主机和第二主机均设置在测量站处，第二主机可以利用第一主机的数据进行实时修正，则在实时性要求并不严格的情况下，可以在需要修正时将第一主机接入电流环路进行一键采集和一键传递数据，原先需要操作人员手动地对变送器进行拆装和手动调整，通过这种方法免去了复杂的手动作业。

当系统中级联有多个第一主机时，其数量受限于环路的电压，如果环路电压的上限位40V，则该多机数据通信系统中串联的第一主机的数量不超过3个。当环路上的主机超过2个时，就需要有一个合适的通信机制来协调，本申请采用主从协议通信方式，其中一台主机为主设备、其他为从设备，主设备发起或结束一个通信，从设备之不能进行直接通信，都得由主设备进行中转，通常配置第二主机为主设备、其他各个第一主机为从设备。

第一主机、第二主机以及中心站在发送数据时，将数字信号的通信数据调制到模拟信号上，鉴于4-20mA电流环路线很长，分布电容不能忽略，因此该模拟信号的频率为2kHz，调制解调方式为FSK、数据率为1200bps，这足以用来传输慢变化(无需经常更新)的数据量。采用半双工模式，发送和接收两个状态互不影响。且为了不妨碍环路上面传递的信息(环路直流电流)，除非和中心站之间有一种特殊的机制和协议，电流环路上面每个主机的最大工作电流低于环路的最小电流4mA。

在中心站和测量站(第一主机以及第二主机)建立数据通信的物理链路后，完全可以在此基础上面进行上层协议的通信，比如说最常用的HART通信协议，它就是一个通用的使用FSK调制方式的低速通信协议。而在测量站的第一主机和第二主机之间，可以使用自定的简易的私有协议进行通信。本申请可以实现对设备之间的双向通信是多样的：比如，第一主机可以将采集到的数据传输给第二主机，由第二主机中继到中心站。再比如，第一主机可以将采集到的数据传输给第二主机，第二主机可以将自己采集到的数据与接收到的第一主机的数据合并或做相应处理，然后合成为一个数据后传输给中心站。再比如，第一主机将采集到的数据传输给第二主机，第二主机反馈一个应答数据给第一主机。第一主机和第二主机可以通过自定义协议进行上述各类通信。再比如，中心站可以发送一个指令给第二主机，第二主机根据指令反馈相应数据给中心站。该系统可以实现的通信内容是多样的，绝不仅限于上述举例的几种。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于4-20mA电流环路的多机数据通信系统，其特征在于，所述系统包括中心站、4-20mA电流环路、第二主机以及若干个第一主机，所述若干个第一主机和所述第二主机依次串联，串联电路的一端连接所述4-20mA电流环路的正相线缆的第一端，串联电路的另一端连接所述4-20mA电流环路的负相线缆的第一端；所述4-20mA电流环路的正相线缆的第二端和负相线缆的第二端均连接所述中心站；

每个所述第一主机中分别包括第一处理控制器、第一调制解调器、第一电源管理芯片和传感器组件，所述第二主机中包括第二处理控制器、第二调制解调器、第二电源管理芯片、电压控制电流源和传感器组件，所述中心站包括环路电源、第三处理控制器、第三调制解调器和模数转换电路；所述中心站通过所述环路电源为所述第一主机和第二主机提供电压，所述第一主机通过所述第一电源管理芯片从所述4-20mA电流环路获得工作电压，所述第二主机通过所述第二电源管理芯片从所述4-20mA电流环路获得工作电压；

所述第一处理控制器获取传感器组件采集到信号所述第二主机通过所述第一主机以及所述第二主机中的传感器组件获取现场采集值，并通过所述电压控制电流源产生与所述现场采集值对应的环路直流电流，所述环路直流电流根据所述现场采集值在4-20mA范围内线性变化；所述中心站通过所述模数转换电路采样所述环路直流电流转换为数字信号；

所述第二主机还通过所述电压控制电流源将通信数据调制成模拟信号叠加在所述环路直流电流上在所述4-20mA电流环路上进行传输，和/或，通过所述第二调制解调器对所述4-20mA电流环路上传输的叠加在所述环路直流电流上的模拟信号解调得到其他设备的通信数据，实现与其他设备的数据通信；各个所述第一主机以及所述中心站中的任意一个设备还通过内置的调制解调器将通信数据调制成模拟信号叠加在所述环路直流电流上在所述4-20mA电流环路上进行传输，和/或，通过内置的调制解调器对所述4-20mA电流环路上传输的叠加在所述环路直流电流上的模拟信号解调得到其他设备的通信数据，实现与其他设备的数据通信。

2.根据权利要求1所述的多机数据通信系统，其特征在于，所述第一主机、第二主机和中心站采用的调制解调方式为FSK、数据率为1200bps、采用半双工模式，调制形成的模拟信号的频率为2kHz。

3.根据权利要求1所述的多机数据通信系统，其特征在于，每个主机的最大工作电流低于4mA。

4.根据权利要求1所述的多机数据通信系统，其特征在于，所述中心站的环路电源提供的环路的电压在18V～40V范围内，每个所述第一主机产生的压降为4.8V～9.6V，所述多机数据通信系统中串联的第一主机的数量不超过3个。

5.根据权利要求1所述的多机数据通信系统，其特征在于，所述多机数据通信系统采用主从协议通信方式，其中一台主机为主设备、其他为从设备，主设备发起或结束一个通信，从设备之间的通信由所述主设备进行中转，配置第二主机为主设备、其他各个第一主机为从设备。

6.根据权利要求1所述的多机数据通信系统，其特征在于，当确定所述4-20mA电流环路上传输的所述环路直流电流上未叠加模拟信号时，所述中心站通过所述模数转换电路采样所述环路直流电流。

7.根据权利要求1-6任一所述的多机数据通信系统，其特征在于，每个所述第一主机还包括稳压管、第一电阻、第一电容和第二电容，所述第一主机的第一端连接所述第一电源管理芯片和所述稳压管的阴极，所述稳压管的阳极通过所述第一电阻连接所述第一主机的第二端；所述第一电源管理芯片还连接所述第一处理控制器、传感器组件和第一调制解调器，所述第一电源管理芯片、第一处理控制器、传感器组件和第一调制解调器的接地端均相连并连接所述稳压管的阳极；所述第一处理控制器分别连接所述传感器组件和第一调制解调器，所述第一调制解调器分别通过所述第一电容和第二电容连接所述第一主机的第二端；所述第一主机通过第一端和第二端串联在所述4-20mA电流环路中；其中，所述稳压管的压降为3.6V、所述第一电阻的阻值为300Ω。

8.根据权利要求1-6任一所述的多机数据通信系统，其特征在于，所述第二主机还包括第三电容和第四电容，所述第二主机的第一端连接所述第二电源管理芯片，所述第二主机的第一端还通过所述第三电容连接所述第二调制解调器，所述第二电源管理芯片还分别连接所述第二处理控制器、第二调制解调器、传感器组件和电压控制电流源，所述第二处理控制器连接所述第二调制解调器和所述传感器组件，所述第二调制解调器通过所述第四电容连接所述电压控制电流源，所述电压控制电流源连接所述第二主机的第二端；所述第二主机通过第一端和第二端串联在所述4-20mA电流环路中。

9.根据权利要求1-6任一所述的多机数据通信系统，其特征在于，所述中心站还包括采样电阻和第三电源管理芯片，所述第三电源管理芯片的输入端连接中心站电源、输出端分别连接所述第三调制解调器、第三处理控制器和所述模数转换电路进行供电，所述第三电源管理芯片、第三调制解调器、第三处理控制器和模数转换电路的接地端均连接本地电源参考地；所述采样电阻和所述环路电源串联并串联在所述4-20mA电流环路中，所述第三调制解调器通过隔直电容连接所述采样电阻的正端，所述采样电阻的负端连接本地电源参考地，所述模数转换电路连接在所述采样电阻的两端，所述第三调制解调器和所述模数转换电路均连接所述第三处理控制器。

10.根据权利要求1所述的多机数据通信系统，其特征在于，所述第一主机采用即插即用方式，所述4-20mA电流环路预留两个接线端子，当所述第一主机未接入所述4-20mA电流环路时，所述4-20mA电流环路的两个接线端子之间通过导线短接；当所述第一主机接入所述4-20mA电流环路时，移去所述两个接线端子之间的导线并将所述第一主机的两端插入所述接线端子中。

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