4～20 mA电流环串行通信接口抗干扰研究

武文斌　陈先玉

摘 要： 介绍了基于4～20 mA电流环串行通信接口的基本原理，创新的使用PCI转UART桥芯片实现了基于CPCI总线的4～20 mA电流环串口卡，并给出了某地面测试系统中电流环接口的干扰源及其抗干扰分析。通过改进接收端施密特触发器电路，降低了输出高电平的幅值，减小了系统中干扰信号的尖峰，有效地抑制了噪声；同时，通过选取最佳的负载电阻，提高了光耦饱和度，增强了输出驱动能力。经测试，按这种方法改进后的4～20 mA电流环串行接口电路较好地抑制了通信线束中的电磁串扰，提升了抗干扰能力。

关键字： 4～20 mA电流环； 串行通信； 接口； 抗干扰

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0116?03

Abstract： The basic principle of serial communication interface for 4～20 mA current loops is introduced in this paper. The 4～20 mA current loop serial card based on CPCI bus was realized by innovative use of PCI?to?UART bridge chip. The interference source and anti?interference analysis of the current loop interface in a ground test system are offered in this paper. By improving the circuit of Schmidt trigger at receiving end， the amplitude of the output high level and the signal peak are reduced. As a result， the noise is suppressed. The selection of the optimum load resistance makes the optocoupler saturation improved， and the output drive capability enhanced. The testing results show that this improved serial interface circuit of 4～20 mA current loop can restrain electromagnetic interference in communication wire harness.

Keywords： 4～20mA current loop； serial communication； interface； anti?interference

由于电流不受线阻的影响，电流环通信在一定长度范围内不易受噪声干扰，因此，在工业控制及恶劣环境现场测控等领域中经常采用这种信号传输方式。但是，电流环串口的抗干扰特性并非绝对，在某些特定环境下，如果应用不当，反而容易通过线路引入脉冲串扰。本文结合过程应用实例，研究4～20 mA电流环串行通信接口在发送和接收端引入干扰的原因及相应的改进措施。

1 4～20 mA电流环基本原理

电流环通常包括传感器、发送器、接收器和ADC或微控制器[1]。传感器用于测量物理参数（如压力或温度），提供相应的输出电压；发送器将传感器输出按比例转换成4～20 mA电流信号；接收器则将4～20 mA电流转换为电压信号，ADC或微控制器将接收器的电压输出转换成数字信号。

4～20 mA电流环通常情况下信号传输的距离较长，且不需考虑线路上噪声、线长、压降和线路阻抗等参数的影响，从而使电路传输性能大大提高。在电流环中，信息通过电流调制信号进行传输[2?3]。对于4～20 mA系统，4 mA通常表示传感器的零输出，20 mA表示满量程输出，因而很容易区分环路断路（0 mA，故障状态）与传感器的零输出（4 mA）。与电压调制信号相比，电流环从本质上具有更高的抗干扰能力[4]。

2 基于CPCI总线的4～20 mA电流环卡设计

在某地面测试系统中，为满足恶劣环境下的通信需求，设计了一块基于CPCI总线的4～20 mA电流环串口卡，系统框图如图1所示。通过使用Oxford公司的OX16系列PCI转UART桥芯片，上位机软件直接操作相应的寄存器就可以在异步串行通信方式下实现数据收发。而UART桥芯片产生的TTL电平信号则经过光耦以后进入电流环收发器。在本设计中，采用了AD公司的AM422作为4～20 mA电流环收发器。

3 干扰分析

在CPCI总线架构中，主卡通过总线操作电流环串口卡单独进行数据收发测试时各项功能完全正常，通信距离及抗干扰能力等也达到了4～20 mA电流环一般设计要求。但是，在某地面测试系统中，主卡会通过CPCI总线操作系统中的继电器卡，当继电器通道向外部接通12 V电源时，电流环串口卡总会异常收到几个字节的数据。通过分析发现，该地面测试系统对外的线缆束将电流环串口信号线、继电器信号线、I/O输入接口信号全部捆扎在一起，当继电器中的触点在接通与断开时，由于电流的急剧变化，产生电磁干扰，通过继电器接口信号线窜入电流环互连信号线上，从而导致串口数据通信错误。在经过光耦之后的接收端电路中，用示波器监测串口接收到的TTL电平信号，可以看出在继电器动作时会收到大量的干扰信号波形如图2所示。

通过查阅施密特触发器SN75189A的数据手册可知，当输入信号电平大于1.9 V时，芯片输出为逻辑0；输入信号电平小于1.0 V时，芯片输出为逻辑1。从图2的输入电压波形可以看出，干扰脉冲信号的电平已低于VIT-，从而导致了输出信号翻转为逻辑1，使得串口控制器接收到错误的信号帧。

施密特触发器SN75189A还可以通过滤波配置电容实现对输入信号的翻转电平调整，其电容值与电压脉宽的关系如图3所示[5]。

参考图3可以看出，当滤波配置电容约500 pF时，若脉冲宽度为2 μs，脉冲幅度为2.0 V就可造成输出翻转，而当脉冲宽度变为500 ns时，脉冲幅度需要5.0 V才可造成输出发生翻转。而从图2中可以看出，受干扰时，光耦输出信号尖峰低于2 V部分的持续时间约为2 μs，在这种情况下，施密特触发器就识别成有效的高电平。可见，若干扰尖峰宽度足够小，施密特触发器SN75189A就会将其识别为噪声而将其滤除，而不是识别为有效信号，从而在串口的接收端达到滤去干扰的效果。在干扰一定的情况下，可以通过提高光耦输出高电平的幅值来减小干扰尖峰，如图4所示。

从SN75189A的数据手册中可以看出，信号输入端对地相当于一个3～7 kΩ的电阻，如图5所示[5]。从芯片内部电路图和实施测试情况看，这个电阻值约为5 kΩ。

可见，光耦输出端负载电阻和SN75189A的输入电阻对光耦的输出形成了分压关系，通过调整光耦输出端的负载电阻值就可以调节光耦的输出电平。

从光耦6N136的数据手册中可以看出，输出电流Io的平均工作电流为8 mA，根据公式[（5-Vceo）RL≤8 mA]（饱和时Vceo=0），负载电阻RL不能低于[6]625 Ω。在实际测试中，发现当RL低于750 Ω时，光耦的输出电平最小值达到近1.0 V，光耦已经进入不饱和状态。而施密特触发器SN75189A的输入电压超过1.0 V就不能可靠识别为低电平，因此，当VCC=5.0 V时，光耦上输出端的负载电阻RL阻值采用1 kΩ为最佳状态，能保证输出电压最大值约为4.2 V，输出电压最小值约为0.5 V，输出电流Iceo约为5 mA，且距离最小取值750 Ω还有一定余量。

从表1中可以看出，RL取1 kΩ时，光耦输出高电平已经达到较高的值，若再减小，高电平幅值增大不明显，但是距离最小值750 Ω的余量已经不多。因此，从理论分析和实际测试的情况看，RL取1 kΩ是较为合理的值。

将RL换为1 kΩ后的干扰波形如图6所示。从图6中可以看出，提高输出高电平的幅值后，干扰就被施密特触发器滤掉，PCI转UART桥芯片就不再错误接收数据。

4 结 语

本文给出了基于CPCI总线的4～20 mA电流环串口卡基本设计方法，并分析了该电流环串口在某地面测试系统中被干扰的原因。通过电流环接收端电路的改进设计，较好地解决了该系统中继电器动作引入干扰对电流环串口通信的影响，提高了4～20 mA电流环串口的抗干扰能力。

参考文献

[1] 王立华.基于DSP的4～20 mA电流环的设计[J].工矿自动化，2008（2）：121?123.

[2] 杨金岩.4～20 mA电流变送器AD421 及其应用[J].现代电子技术，2001，24（7）：76?77.

[3] 王美玲.适合于4～20 mA 电流环的31/2 LCD 显示表[J].仪器与仪表，2000（11）：21?22.

[4] 吕津.一种对20 mA 电流环的改进方法[J].中国测试技术，2003（2）：37?38.

[5] Texas Instruments. SN75189A uses manual [M]. USA： Texas Instruments， 1998.

[6] NXP Semiconductor. 6N136 uses manual [M]. Netherlands： NXP Semiconductor， 2007.

施密特触发器SN75189A还可以通过滤波配置电容实现对输入信号的翻转电平调整，其电容值与电压脉宽的关系如图3所示[5]。

参考图3可以看出，当滤波配置电容约500 pF时，若脉冲宽度为2 μs，脉冲幅度为2.0 V就可造成输出翻转，而当脉冲宽度变为500 ns时，脉冲幅度需要5.0 V才可造成输出发生翻转。而从图2中可以看出，受干扰时，光耦输出信号尖峰低于2 V部分的持续时间约为2 μs，在这种情况下，施密特触发器就识别成有效的高电平。可见，若干扰尖峰宽度足够小，施密特触发器SN75189A就会将其识别为噪声而将其滤除，而不是识别为有效信号，从而在串口的接收端达到滤去干扰的效果。在干扰一定的情况下，可以通过提高光耦输出高电平的幅值来减小干扰尖峰，如图4所示。

从SN75189A的数据手册中可以看出，信号输入端对地相当于一个3～7 kΩ的电阻，如图5所示[5]。从芯片内部电路图和实施测试情况看，这个电阻值约为5 kΩ。

可见，光耦输出端负载电阻和SN75189A的输入电阻对光耦的输出形成了分压关系，通过调整光耦输出端的负载电阻值就可以调节光耦的输出电平。

从光耦6N136的数据手册中可以看出，输出电流Io的平均工作电流为8 mA，根据公式[（5-Vceo）RL≤8 mA]（饱和时Vceo=0），负载电阻RL不能低于[6]625 Ω。在实际测试中，发现当RL低于750 Ω时，光耦的输出电平最小值达到近1.0 V，光耦已经进入不饱和状态。而施密特触发器SN75189A的输入电压超过1.0 V就不能可靠识别为低电平，因此，当VCC=5.0 V时，光耦上输出端的负载电阻RL阻值采用1 kΩ为最佳状态，能保证输出电压最大值约为4.2 V，输出电压最小值约为0.5 V，输出电流Iceo约为5 mA，且距离最小取值750 Ω还有一定余量。

从表1中可以看出，RL取1 kΩ时，光耦输出高电平已经达到较高的值，若再减小，高电平幅值增大不明显，但是距离最小值750 Ω的余量已经不多。因此，从理论分析和实际测试的情况看，RL取1 kΩ是较为合理的值。

将RL换为1 kΩ后的干扰波形如图6所示。从图6中可以看出，提高输出高电平的幅值后，干扰就被施密特触发器滤掉，PCI转UART桥芯片就不再错误接收数据。

4 结 语

本文给出了基于CPCI总线的4～20 mA电流环串口卡基本设计方法，并分析了该电流环串口在某地面测试系统中被干扰的原因。通过电流环接收端电路的改进设计，较好地解决了该系统中继电器动作引入干扰对电流环串口通信的影响，提高了4～20 mA电流环串口的抗干扰能力。

参考文献

[1] 王立华.基于DSP的4～20 mA电流环的设计[J].工矿自动化，2008（2）：121?123.

[2] 杨金岩.4～20 mA电流变送器AD421 及其应用[J].现代电子技术，2001，24（7）：76?77.

[3] 王美玲.适合于4～20 mA 电流环的31/2 LCD 显示表[J].仪器与仪表，2000（11）：21?22.

[4] 吕津.一种对20 mA 电流环的改进方法[J].中国测试技术，2003（2）：37?38.

[5] Texas Instruments. SN75189A uses manual [M]. USA： Texas Instruments， 1998.

[6] NXP Semiconductor. 6N136 uses manual [M]. Netherlands： NXP Semiconductor， 2007.

施密特触发器SN75189A还可以通过滤波配置电容实现对输入信号的翻转电平调整，其电容值与电压脉宽的关系如图3所示[5]。

参考图3可以看出，当滤波配置电容约500 pF时，若脉冲宽度为2 μs，脉冲幅度为2.0 V就可造成输出翻转，而当脉冲宽度变为500 ns时，脉冲幅度需要5.0 V才可造成输出发生翻转。而从图2中可以看出，受干扰时，光耦输出信号尖峰低于2 V部分的持续时间约为2 μs，在这种情况下，施密特触发器就识别成有效的高电平。可见，若干扰尖峰宽度足够小，施密特触发器SN75189A就会将其识别为噪声而将其滤除，而不是识别为有效信号，从而在串口的接收端达到滤去干扰的效果。在干扰一定的情况下，可以通过提高光耦输出高电平的幅值来减小干扰尖峰，如图4所示。

从SN75189A的数据手册中可以看出，信号输入端对地相当于一个3～7 kΩ的电阻，如图5所示[5]。从芯片内部电路图和实施测试情况看，这个电阻值约为5 kΩ。

可见，光耦输出端负载电阻和SN75189A的输入电阻对光耦的输出形成了分压关系，通过调整光耦输出端的负载电阻值就可以调节光耦的输出电平。

从光耦6N136的数据手册中可以看出，输出电流Io的平均工作电流为8 mA，根据公式[（5-Vceo）RL≤8 mA]（饱和时Vceo=0），负载电阻RL不能低于[6]625 Ω。在实际测试中，发现当RL低于750 Ω时，光耦的输出电平最小值达到近1.0 V，光耦已经进入不饱和状态。而施密特触发器SN75189A的输入电压超过1.0 V就不能可靠识别为低电平，因此，当VCC=5.0 V时，光耦上输出端的负载电阻RL阻值采用1 kΩ为最佳状态，能保证输出电压最大值约为4.2 V，输出电压最小值约为0.5 V，输出电流Iceo约为5 mA，且距离最小取值750 Ω还有一定余量。

从表1中可以看出，RL取1 kΩ时，光耦输出高电平已经达到较高的值，若再减小，高电平幅值增大不明显，但是距离最小值750 Ω的余量已经不多。因此，从理论分析和实际测试的情况看，RL取1 kΩ是较为合理的值。

将RL换为1 kΩ后的干扰波形如图6所示。从图6中可以看出，提高输出高电平的幅值后，干扰就被施密特触发器滤掉，PCI转UART桥芯片就不再错误接收数据。

4 结 语

本文给出了基于CPCI总线的4～20 mA电流环串口卡基本设计方法，并分析了该电流环串口在某地面测试系统中被干扰的原因。通过电流环接收端电路的改进设计，较好地解决了该系统中继电器动作引入干扰对电流环串口通信的影响，提高了4～20 mA电流环串口的抗干扰能力。

参考文献

[1] 王立华.基于DSP的4～20 mA电流环的设计[J].工矿自动化，2008（2）：121?123.

[2] 杨金岩.4～20 mA电流变送器AD421 及其应用[J].现代电子技术，2001，24（7）：76?77.

[3] 王美玲.适合于4～20 mA 电流环的31/2 LCD 显示表[J].仪器与仪表，2000（11）：21?22.

[4] 吕津.一种对20 mA 电流环的改进方法[J].中国测试技术，2003（2）：37?38.

[5] Texas Instruments. SN75189A uses manual [M]. USA： Texas Instruments， 1998.

[6] NXP Semiconductor. 6N136 uses manual [M]. Netherlands： NXP Semiconductor， 2007.