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【N32G457】基于RT-Thread和N32G457的可控电流源

发布于 2022-03-15 22:01:39 浏览：832 订阅该版

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# 【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。
![1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220315/d12065004e37f4b313e67e3c3e888f09.png)
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。
![2.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220315/562d3ad119974642482fe771426049b0.png)
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。
![3.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220315/eff14db4e56729706ec75426d4a539bc.png)
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。
![4.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220315/bf1b08be234dfe80753ee3f35f920e45.png)
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。
![5.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220315/83bfa56451b984cee01a6a509cbf88f6.png)
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
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220315/23347b6f47cd6056d60d1e1ed8529b28.png.webp)
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。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220317/b3025e637117a84969cfcc805ac10daa.png.webp)

## 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！
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220317/a31970eb841b2ce4a128597cef882d7c.png.webp)

### 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。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220317/c9a8c6e5493b847e11f62fd0f60423f8.png)
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。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220317/4bb84d2386d119900905276a68aa6763.png.webp)

## 8、速度测试
20mm-->4ma
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220317/210189ddae5cb5764ded5ef59b973b9f.png.webp)
4mA-->20mA
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220317/f3c364df83a36515cd34f7c1517eeb9e.png.webp)
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.git)
https://gitee.com/bucthuang/n32g_420ma