【N32G457】基于RT-Thread和N32G457的可控电流源
本文是RT-Thread用户@wlof原创发布,是用于参加RT-Thread与国民技术联手推出N32G457 RT-Thread设计大赛,原文:https://club.rt-thread.org/ask/article/3475.html
【N32G457】基于RT-Thread和N32G457的可控电流源
1、应用背景
工业控制领域,由于传统4-20mA电流传输方案,依旧占领着统治地位,因此各种仪表上基本都会配置标准的4-20mA电流输出接口。其中,电流输出中最主要的就是恒流源制作,对于刚接触工业仪表的同志,是比较喜欢使用现成的电流输出芯片的方案,特别是国外的电流芯片。但自从“华为事件”之后,“国产替代”的任务提上日程,想用电流转换芯片的可以参考本人以前的文章。
本文后面将使用的是一种使用PWM进行电流输出的恒流源方案,它可以使用PWM实现对电流的调节,具有输出隔离、精度高等优点。
2、实现功能
2.1 使用TIM产生占空比可调的PWM,以实现4-20mA电流调节
2.2 通过控制台实现对电流的标定与校正,以准确地输出4-20mA
2.3 控制台对输出电流控制
##3、硬件框架
硬件总体框架如图1所示,PC机通过USB连接到开发板上,一方面给开发板供电,别一方面,可以直接下载和调试;开发板上,产生可调占空比的PWM波形,通过光耦将PWM信号传递给可控制恒流源的模拟信号处理单元;开发板上的3.3V为恒流源的光耦的发光二极管供电;隔离电源为恒流源的模拟部分供电,包含对4-20mA电流输出、电压基准、运放等电路的供电;4-20mA电流环输出接口接到电阻箱(大功率、高精度、低温漂的采样电阻)上,实现对电流进行采样,方便通过万用表进行电压测量。
图1
为啥用万用表进行电压测量呢?老工程师告诉我,万用表电压档的精度,通常都比电流档的精度要高,想想,好像也是,那个电流档的采样电阻是小阻值电阻,也就是采样得到电压比较低,稍有点干扰就不那么准了呗。归根到底,还是钱的事,没有那么高级的万用表嘛,暴露了不是,嘿嘿。反正测量电流,转换成电压进行量,是常用方案,万用表里头也是这么干的。
隔离可控制电流源部分框图如图所示,3.3V是开发板提供的,为光耦进行供电以接收PWM信号,在此处要注意限流电阻的选择不能过大,否则对PWM信号传递会有影响。2.5V电压基准为反相器供电,以保证转换的PWM高电平为精确的基准电压。
图2
反相器输出的PWM经过Salen-key有源低通滤波电路获得相对稳定的直流参考电压,并输出给运放的同向输入端;反向输入端接入内部采样电阻的电压;运放的输出端用于控制NMOS的开度,实现电流调节。
具体的实现电路如图3~5所示。图3中,单片机的PWM信号,通过光耦合进行隔离变换,变换后的信号通过电阻R6,进入反相器U5,经过反相器得到幅值精准的PWM波形。
图3
反相器输出的PWM-2.5波形,经过图4所示的Salen-Key低通滤波器之后,得到相对稳定的VO-REF直流电压信号。
图4
如图5所示,直流电压信号VO-REF,输入到运放的同相输入端,反相输入端接入采样电阻的电压值,运放的输出控制MOS管的开度,这是一个典型的闭环控制系统。通过运放的虚短虚断原理,可以得到同相反相的电压相同,即VO-REF与采样电阻的电压相等。因此,通过控制VO-REF就可以控制输出的电流,而VO-REF与脉冲PWM的占空比有关,即通过控制PWM的占空比就可以控制电流的大小。注意,只要控制占空比就可以了,所以,选择一个频率(当然,这个频率肯定会与滤波器的特性有关,低通的嘛,太高的频率下都衰减没了,那还搞啥子?理论不足怎么办?试呗,设定一个频率,看一下输出是否稳定,稳定就OK。如果想从理论上搞一下,可以用仿真软件玩一下,然后,选择一个合适的频率),愉快的输出吧。
图5
4、软件框架
由于这个目前是通过控制台来运行的,所以这里就不好写了。偷看了小伙伴们的作业,都是写的几个线程,往上一弄,如果是这样的话,这里没有多余的线程,只有外设。。。鹅鹅鹅。。。比独立的线程,还要独立。。。所以相关说明还是放到软件模块说明里比较好。
5、软件模块说明
5.1 需求
5.1.1. 可以输出任意4-20mA中的任意电流,翻译一下,就是占空比可以控制的PWM;
5.1.2. 可以对输出电流进行校正,翻译一下,就是可以修改占空比计算函数;
5.1.3. 可以按校正后的电流进行输出,翻译一下,就是可以按修正的占空进行输出;
5.2 PWM输出函数
5.2.1. 要可以控制占空比,_rt_pwm_set_这个自的函数就可以实现;
5.2.2. 要可自动判断是否完成校正,添加1个变量就可以,通过变量来区分;
5.2.3. 要可以强制输出未校正的波形,添加1个变量进行联锁控制就可以;
5.3 接收校正参数
通过控制台交互将标定数据写入内存,再通过确认指令,完成校正参数计算。
控制台强制输入未校正的电流4mA和20mA,通过万用表测得250R电阻两端的mv值,这里得到两组数据,假设,未校正时4mA、20mA对应的占空为P0,P1,测得到电压分别为V0,V1,那么(V0,P0),(V1,P1)。即实际测得到电压(即实际电流)对应一个占空值,直接线性化就可以了,y=kx+b。
k=(P0-P1)/(V0-V1)
b=P0-k*V0
这里要注意的是保证单位一致就可以了。
5.4 PWM校正函数
校正函数其实就非常简单了,y=kx+b嘛,直接写就可以了。
6、作品完整图片
先补一张,隔离恒流源的小图片
细心的朋友可能已经发现了,这个板子上有漆,是的,测试时,发现如果不上漆的话,很容易受到空气流动的影响,特别是那个基准上,吹一口气,要跳好多的,后来涂上传说中的三防漆之后,好很多。但是最好是,放盒子里面包起来,啥风吹草动的,不要影响它。
7、视频演示
这里决定使用图片替代,方便文档下载后的线下查看。
7.0 硬件连接
将开发板的PA6引脚引出,将3.3V引出,接到电流输出板的光耦上,注意一下极性。将24V电源(低一点也可以,取决于电流板的电源设计)给电流输出板供电,电流输出端子,接入250R采样电阻(功率要大,精度要高,温漂好点的,自然是电阻箱合适啦),电阻两端并上万用表。开发板usb线接上电脑,开干!
7.1 控制输出未校正的电流
在没有校正的情况下,输出的电流会存在误差的,这个误差会有很多方面的因素对其造成影响,其中电压基准的精度和温度稳定性,占主导地位,其次,采样电阻的精度、温漂都会有影响,因此,想要得到相对准确的结果,校正是应当要做的,这也是保证产品一致性的基本手段,这种方法虽然很笨,但是非常有效。
如果有校正参数,可执行pwm420 calib drop,再执行out 指令,如下:
输出4mA,pwm420 out 4 它等效于 pwm420 force 4
输出20mA,pwm420 out 20 它等效于 pwm420 force 20
7.2 输入万用表测量结果
每输出一次电流,等待其稳定之后,再进行读数,模拟电路有一个滤波必然会有延时的,等输出稳定,在示波器上看,很快就可以0.3s左右可以接近目标值,但要达到万用表示值倒数第二位不跳动的时间,差不多要过3~5秒。这里我们等待10秒之后才进行读数,由于命令输入值只到mv级,因此,按4舍5入原则进行输入。
pwm420 calib 4 xxxx xxxx表示当前值为输出未校正电流4ma时的电压测量值
pwm420 calib 20 xxxx xxxx表示当前值为输出未校正电流20ma时的电压测量值
7.3 确认校正输入参数
pwm420 calib 20 ok 计算k,b
7.4 输出校正过的任意4-20mA电流进行测试验证
校正完成之后,pwm420 out xx指令输出校正后的电流,从万用表示值可以看到,校正之后的结果,还是不错的。唯一的缺点就是,响应速度问题,和4-20mA信号源仪表相比,输出的速度的确是慢很多。
8、速度测试
20mm–>4ma
4mA–>20mA
测试信跳变过渡时间约为0.3秒。
在万用表上观察的稳定时间则比这个时间长很多,倒数第二位稳定,差不多约为5秒,要看全部数据稳定的话,就等吧,10~15s。
9、代码地址
gitee地址
https://gitee.com/bucthuang/n32g_420ma
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