一种SIL2安全等级的4-20mA输入检测电路及方法与流程

一种sil2安全等级的4-20ma输入检测电路及方法
技术领域
1.本发明涉及输入检测技术领域，具体涉及一种sil2安全等级的4-20ma输入检测电路及方法。


背景技术：

2.一般仪器仪表的信号电流都为4-20ma，指最小电流为4ma,最大电流为20ma。在传输信号时，要考虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线的产生一定的压降，那接收端的信号就会产生一定的误差，所以使用电流信号作为变送器的标准传输。
3.要使得4-20ma输入模块满足sil2安全等级，需要能够验证该模块自身是否正常，目前4-20ma输入模块的检测电路是有很多的，但是在基于sil2安全等级的设计上未找到合适的相关设计方式，上述问题亟待解决，为此，提出一种sil2安全等级的4-20ma输入检测电路及方法。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：如何实现对4-20ma输入模块的实时检测和模块功能自检，提供了一种sil2安全等级的4-20ma输入检测电路。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括主控模块、恒流发生模块、4-20ma检测模块、4-20ma输入模块；所述恒流发生模块、4-20ma检测模块、4-20ma输入模块均与所述主控模块通信连接，所述恒流发生模块、4-20ma输入模块均与所述4-20ma检测模块通信连接，通过所述主控模块对所述恒流发生模块、4-20ma输入模块进行控制，并对4-20ma的电流进行检测。
6.更进一步的，所述主控模块为微控制器u1，所述微控制器u1通过两个gpio管脚实现恒流发生模块的输出使能控制和恒流发生模块的输出电流切换，所述微控制器u1通过另外一个gpio管脚控制4-20ma输入模块中4-20ma的输入使能。
7.更进一步的，所述恒流发生模块包括电流选择电路、一级恒流电路、二级恒流电路；通过所述电流选择电路实现三个不同的电流输出选择，三个不同的电流输出分别为零电流、第一自检电流(i1)、第二自检电流(i2)，通过所述一级恒流电路实现恒流输出，为所述二级恒流电路提供驱动，通过所述二级恒流电路实现最终的电流输出。
8.更进一步的，所述电流选择电路包括电阻r1～r5、三极管q1、三极管q2，微控制器u1通过第一gpio管脚与三极管q1的基极连接，电阻r1设置在第一gpio管脚与三极管q1的基极之间，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极与一级恒流电路连接，三极管q1的集电极通过电阻r3与电源端连接，三极管q1的集电极处设置有第一测试点tp1，微控制器u1通过第二gpio管脚与三极管q2的基极连接，电阻r2设置在第二gpio管脚与三极管q2的基极之间，三极管q2的发射极接地，三极管q2的集电极通过电阻r4与三极管q1的集电极连接，三极管q2的集电极通过电阻r5接地。
9.更进一步的，所述一级恒流电路包括误差放大芯片u2、电容c1、mos管q3、电阻r6、
r7，误差放大芯片u2的正相输入端与三极管q1的集电极连接，反相输入端与mos管q3的漏极并联后通过电阻r6接地，输出端与mos管q3的栅极连接，电容c1连接在误差放大芯片u2的反相输入端与输出端之间，mos管q3的源极通过电阻r7与电源端连接，并与二级恒流电路连接。
10.更进一步的，所述二级恒流电路包括误差放大芯片u3、电容c2、mos管q4、电阻r8、二极管d1，误差放大芯片u3的正相输入端与mos管q3的源极连接，反相输入端与mos管q4的源极并联后通过电阻r8与电源端连接，输出端与mos管q4的栅极连接，电容c2连接在误差放大芯片u3的反相输入端与输出端之间，mos管q4的漏极通过二极管d1与4-20ma检测模块连接。
11.更进一步的，所述4-20ma检测模块包括adc芯片u4、输入滤波电路、阻抗匹配电路、采样电阻r9；所述输入滤波电路包括电阻r10、电容c3，所述阻抗匹配电路包括运算放大器u5，所述adc芯片u4的一端与所述微控制器u1连接，另一端与电阻r10的一端连接，电阻r10的另一端与运算放大器u5的输出端连接，电容c3的一端连接至电阻r10与adc芯片u4之间，另一端接地，运算放大器u5的反相输入端与输出端连接，形成跟随器，正相输入端与二极管d1并联后通过电阻r9接地。
12.更进一步的，所述4-20ma输入模块包括电阻r13、三极管q6、信号继电器、续流二极管d4、tvs二极管d3、外部4-20ma输入接口，微控制器u1通过第三gpio管脚与三极管q6的基极连接，电阻r13设置在第三gpio管脚与三极管q6的基极之间，三极管q6的发射极接地，集电极与信号继电器线圈的负端连接，信号继电器线圈的正端与电源端连接，续流二极管d4一端与电源端连接，另一端与三极管q6集电极连接，外部4-20ma输入接口通过信号继电器的第一触点(触点1)与运算放大器u5的反相输入端连接，tvs二极管d3的一端接地，另一端连接到信号继电器的第二触点(触点2)，信号继电器的第二触点与运算放大器u5的正相输入端。
13.本发明还提供了一种sil2安全等级的4-20ma输入检测方法，利用上述的电路实现sil2安全等级的4-20ma输入检测工作，包括以下步骤：
14.s1：置第一gpio管脚为高电平、第二gpio管脚为低电平、第三gpio管脚为高电平，关闭恒流发生模块，并使信号继电器的两个触点闭合，外部信号通过外部4-20ma输入接口连接到4-20ma检测模块中，此时所述4-20ma输入检测电路处于外部信号检测状态；
15.s2：为了周期性验证4-20ma输入检测电路的功能是否正常，4-20ma输入检测电路在运行指定时间后，置第一gpio管脚为低电平、第二gpio管脚为高电平、第三gpio管脚为低电平，打开恒流发生模块，输出第一自检电流，并使信号继电器的两个触点断开，关闭外部4-20ma输入信号，此时4-20ma输入检测电路设备处于第一自检状态；微控制器u1验证读取的输入电流与第一自检电流的差值是否在设定阈值范围内，进而判断4-20ma输入检测电路是否正常，如果正常则进入步骤s3，否则判断4-20ma输入检测电路异常并报错；
16.s3：置第一gpio管脚为低电平、第二gpio管脚为低电平、第三gpio管脚为低电平，打开恒流发生模块，输出第二自检电流，并使信号继电器的两个触点断开，关闭外部4-20ma输入信号，此时4-20ma输入检测电路处于第二自检状态；微控制器u1验证读取的输入电流与第二自检电流的差值是否在设定阈值范围内，判断4-20ma检测电路是否正常，如果正常则进入步骤s1，否则判断4-20ma输入检测电路异常并报错。
17.本发明相比现有技术具有以下优点：该sil2安全等级的4-20ma输入检测电路，在对4-20ma输入模块的检测电路的基础上增加了对4-20ma输入模块的验证电路，并使用仲裁控制的检测方法在实时检测4-20ma输入的基础上同时可以验证4-20ma输入模块是否正常，确保4-20ma输入模块的检测电路符合sil2安全等级，值得被推广使用。
附图说明
18.图1是本发明实施例中sil2安全等级的4-20ma输入检测电路的结构框图；
19.图2是本发明实施例中恒流发生模块的电路原理图；
20.图3是本发明实施例中4-20ma检测模块电路原理图；
21.图4是本发明实施例中4-20ma输入模块的电路原理图；
22.图5是本发明实施例中sil2安全等级的4-20ma输入检测电路的原理图；
23.图6是本发明实施例中仲裁控制流程图。
具体实施方式
24.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
25.本实施例提供一种技术方案：一种sil2安全等级的4-20ma输入检测电路，包括主控模块1、恒流发生模块2、4-20ma检测模块3、4-20ma输入模块4；
26.主控模块1，主要是一个微控制器u1，可以实现恒流发生模块控制、4-20ma输入模块控制、4-20ma的电流检测、4-20ma输入检测电路的检测流程控制；
27.恒流发生模块控制主要通过u1芯片的2个gpio管脚(第一gpio管脚、第二gpio管脚)实现恒流发生模块的输出使能控制和恒流发生模块的输出电流切换；
28.4-20ma输入模块控制主要通过u1的1个gpio管脚(第三gpio管脚)控制4-20ma的输入使能，用于打开或者关闭4-20ma输入；
29.4-20ma的电流检测是最基本的电流检测功能，通过读取u4芯片的adc采样值转换为4-20ma的电流值；
30.4-20ma输入检测电路的检测流程控制是通过一种检测流程实现对恒流发生模块和4-20ma输入模块的循环切换，判断模块自身是否正常，实现sil2安全等级的4-20ma输入检测。
31.具体流程见图6的流程图所示；流程共设计了2种状态：工作状态、自检状态；
32.s1：在工作状态下，首先判断等待时间是否已经达到，需要进入自检状态；如果时间未到，则置gpio1为高电平、gpio2为低电平、gpio3为高电平，此时采集的是外部输入的4-20ma电流；
33.s2：在工作状态下，如果判断等待时间已经达到了进入自检状态的时刻，则立即进入自检状态；
34.s3：在自检状态下，首先置gpio1为低电平、gpio2为高电平、gpio3为低电平，此时采集的是自检电流i1，若判断自检电流错误则直接退出并报错；
35.s4：若判断自检电流i1正确，则置gpio1为低电平、gpio2为低电平、gpio3为低电
平，此时采集的是自检电流i2，若判断自检电流错误则直接退出并报错，否则进入工作状态。
36.恒流发生模块，包括电流选择电路、一级恒流电路、二级恒流电路，所述电流选择电路包括电阻r1～r5、三极管q1、q2；所述一级恒流电路包括芯片u2、电容c1、mos管q3、电阻r6、r7，所述二级恒流电路包括芯片u3、电容c2、mos管q4、电阻r8、二极管d1。
37.电流选择电路主要实现3个不同的电流输出选择：0电流、i1电流、i2电流。0电流输出控制实现了输出电流的关闭与打开控制功能。i1、i2电流的大小可以配置为满量程的25％和75％(可以是任意值，不影响功能)。
38.gpio1(第一gpio管脚)控制三极管q1的通断实现tp1(第一测试点)电平u
tp1
是否切换到0电位，进而实现是否使能输出；gpio2(第二gpio管脚)控制三极管q2实现tp1电平u
tp1
的两个电位v1和v2的切换，当gpio2为高电平时，q2导通，设定此时tp1处的电压为v1，则v1的电压值为当gpio2为低电平时，q2关闭，设此时tp1处的电压为v2，则v2的电压值为
39.一级恒流电路实现了初级的恒流输出，主要是给二级恒流电路提供驱动。
40.u2芯片是一级恒流电路的误差放大模块，利用u2的虚短原理，u2的正负输入端电压相同，则tp1处的电压u
tp1
等于电阻r6两端的电压差，则流过电阻r6的电流是恒定的，始终等于u
tp1
/r6；利用u2的虚断原理，u2的正负输入端的输入电流接近为0，则流过mos管q3的电流等于流过电阻r6的电流，从而达到恒流的功能。
41.一级恒流电路的输出电流值i
level1
为：
[0042][0043]
c1是为了让电路更加稳定，防止出现自激振荡，防止自激振荡的方法很多，本发明仅列举出该方法但不局限于这种方式。
[0044]
mos管q3是一级恒流电路的驱动级，u2芯片通过输出电压的变化调整q3的vgs电压的变化，实现q3的导通阻抗的变化，q3导通阻抗变化可以控制流过q3的电流，调节电阻r6上的电压，从而控制u2芯片调整输出电压，实现整个恒流电路的闭环控制。
[0045]
电阻r7是为了给二级恒流电路提供参考输入，因为r7上流过的电流为i
level1
,则r7电阻上的电压值u
r7
＝r7*i
level1
。
[0046]
二级恒流电路实现了最后的电流输出。u3芯片是二级恒流电路的误差放大模块，因为u3的正相输入端和反相输入端的电压相等(利用u3芯片的虚短原理，u3的正向输入端和反向输入端的电压相等)，在电阻r7上的电流是由一级恒流电路控制输出的恒定电流i
level1
(等于i1或i2或0电流)，那么在u3的反相输入端的电压为r7*i
level1
，在电阻r8上流过的电流等于二级恒流电路输出的电流值i
level2
：
[0047][0048]
c2的功能和c1相同，防止u3芯片出现自激振荡；mos管q4的功能和q3的功能相同，参与恒流电路的反馈控制，实现了对二级恒流电路的驱动输出。
[0049]
二极管d1是利用二极管的单向导通特性，在4-20ma输入检测时，恒流发生模块不
影响4-20ma的输入检测。
[0050]
4-20ma检测模块主要包括u4(adc芯片)、rc组成的adc输入滤波电路、运算放大器u5组成的阻抗匹配电路、采样电阻r9。
[0051]
采样电阻r9实现电流和电压的转换，该电阻根据精度的需求不同，可以选择使用精密电阻，温度系数小于25ppm，防止温度变化和电阻的离散型导致检测电流的不准确；如果adc的参考源为vref，则为增了加adc的线性范围，电阻r9的选择可以依据下方公式计算：
[0052][0053]
上式中的20ma是4-20ma的最大电流值，系数k是为了防止输出电流存在一定的误差，系数k的取值范围在0.8～1.0之间；
[0054]
u5是一个运算放大器，组成了一个跟随器，用于将r9处的高阻抗转换为运算放大器输出的低阻抗，使adc采样模块能够更加精确的获取r9处的电压。
[0055]
r10和c3是一个adc滤波电路，滤除输入端的电流噪声,r10阻值不宜过大，范围在22r～220r之间选择，根据电流的相应速度和输入信号的噪声频率确定电容c3的值，若对电流的相应时间要求在0.1s以上，则可以选择c3的值在1nf～100nf，如果对电流的响应时间在0.1s以下，则c3的容值建议选择在1000pf范围内。
[0056]
u4是一个adc采样芯片，将模拟电压值转换为数字量，被u1芯片获取后可计算得到实际输入的电流值，adc的采样精度根据电流采样的精度要求确定。
[0057]
4-20ma输入模块，由外部的模块输入4-20ma电流值，本模块实现了一个开关功能，可通过u1芯片控制该开关的通断，实现自检状态和测量状态的切换。
[0058]
基极电流限流电阻r13、三极管/n沟道mos管q6、信号继电器rly1、续流二极管d4共同组成了一个电流开关模块，通过控制三极管q6的通断来实现控制q5的通断，实现输入电流的开关控制。
[0059]
r13是三极管q6的基极电流限流电阻，通过控制q6的通断控制rly1的开关状态，q6可以使用三极管也可以使用n沟道mos管。
[0060]
rly1是一个信号继电器，只要能实现控制输入电流的通断电路都可以替代rly1，所以rly1也可以使用模拟开关。
[0061]
d2是一个通用的二极管，利用其单向导通的功能，隔离恒流发生模块和4-20ma输入模块，防止两个模块的信号之间的相互干扰；
[0062]
d3是一个tvs二极管，防止外部输入信号的电压过高超过了4-20ma检测模块中u5的共模输入电压损坏该器件；
[0063]
d4是rly1的续流二极管，可以在q6关闭后，确保继电器线圈内的电流能够连续释放到电源端，防止q6被击穿。
[0064]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。