基于国产CPU的4-20mA电流变送器在工业控制中的应用研究

摘要：随着工业自动化的发展，4-20mA电流变送器在工业控制中发挥着举足轻重的作用。国产CPU技术的崛起，为提升工业控制系统的自主性与安全性带来了契机。本研究聚焦于基于国产CPU的4-20mA电流变送器在工业控制中的应用，旨在突破技术瓶颈，优化系统性能，增强我国工业控制的自主可控能力。研究采用理论分析与实验验证相结合的方法，剖析基于国产CPU的4-20mA电流变送器与国外设备的差异，进而针对协同应用与工业控制设计硬件接口与软件算法。预期成果是形成一套高效、稳定且自主可控的工业控制应用方案，提高信号采集精度与系统响应速度，以期推动国产CPU在工业控制领域的广泛应用。

关键词：国产CPU；4-20mA；电流变送器；工业控制

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）07-0110-03

开放科学（资源服务） 标识码（OSID）

当前，全球制造业竞争日益激烈，工业控制技术对于提升国家产业竞争力和保障经济安全具有重要意义。工业4.0与智能制造的推进，使工业生产对自动化、智能化以及技术自主可控性的要求更高。我国工业控制长期依赖进口CPU，面临断供与信息安全风险。4-20mA电流变送器在工业控制领域应用广泛，传统基于国外CPU的方案无法解决自主可控的问题。因此，研究基于国产CPU的4-20mA电流变送器应用，对提高国产CPU使用率与推动工业发展起到重要作用。

1 基于国产CPU的4-20mA电流变送器与国外设备的差异

国产CPU在设计上更侧重本土工业应用的实际需求。如在工业自动化领域，国产某些型号CPU着重增强对模拟信号处理的硬件加速模块，针对4-20mA电流信号这种工业常见模拟量，更高效地进行前端采集与初步处理。因为国产研发团队深入了解国内工业环境复杂、干扰源多的特点，通过硬件层面优化，增强抗干扰能力，确保在恶劣工业环境下，4-20mA电流信号能稳定、准确地被采集。与之不同，非国产CPU在设计时更多考虑通用性，在应对复杂工业环境时，可能需要额外的外部电路来弥补信号处理方面的短板。

部分国产CPU在与4-20mA电流变送器搭配时，采用高度集成化的设计思路，将信号调理、模数转换等功能模块与CPU核心集成在同一芯片或同一电路板上，减少外部连接线路，降低信号传输损耗和干扰风险。以某款国产工业控制芯片为例，其将4-20mA电流信号调理电路直接集成在芯片内部，使整个变送器系统体积更小、可靠性更高。而非国产CPU下的电流变送器系统，硬件集成度参差不齐，部分产品各功能模块相对独立，导致系统体积较大，且因线路连接增多，在工业现场复杂电磁环境下，信号传输稳定性受到影响。

2 基于国产CPU的4-20mA电流变送器系统协同应用

2.1 硬件接口安装

4-20mA电流信号可通过精密电阻转换为国产CPU可处理的电压信号。选取高精度、低温漂采样电阻，将4-20mA电流信号转换为相应电压信号。如使用250Ω精密电阻，依据欧姆定律[U=IR]，4mA电流对应1V电压，20mA电流对应5V电压。采样电阻精度：0.1%，保证转换后电压信号的准确性。电阻温度系数为50ppm/℃，减小温度对采样精度的影响。以仪表放大器INA128为例，其增益可设为10，将1～5V电压信号放大至10～50V，以适配国产CPU的ADC输入范围（假设国产CPU的ADC输入范围为0～50V） 。同时，在放大器前后级添加RC滤波电路，其中：[R=1kΩ]，[C=0.1μF]，截止频率[fc=12πRC≈1.6kHz]，可以实现滤除高频噪声。具体如表1所示。

当国产CPU支持SPI通信协议，可通过SPI接口实现与4-20mA电流变送器的数据交互，假设电流变送器内置SPI接口芯片。SPI接口引脚连接：将国产CPU的SPI时钟引脚（SCK） 连接至电流变送器SPI接口芯片的SCK引脚，CPU的主机输出从机输入引脚（MOSI） 连接到芯片的MOSI引脚，CPU的主机输入从机输出引脚（MISO） 连接到芯片的MISO引脚，CPU的从机选择引脚（SS） 连接到芯片的SS引脚。通信速率设置应依据系统需求和电流变送器SPI接口芯片的支持范围设定SPI通信速率，电流变送器SPI接口芯片支持最高10MHz通信速率，考虑工业环境电磁干扰及数据处理能力，将SPI通信速率设为5MHz。SPI模式设为SPI模式0，即[CPOL=0]时钟空闲时为低电平，[CPHA=0]数据在时钟上升沿采样；数据位宽为8位，每次传输8位数据，符合常见SPI通信规范[1]。

2.2 电源管理

采用开关电源模块实现AC-DC转换，如选用输入电压范围为AC85-265V，且输出为DC24V的开关电源模块，如明纬的NES-35-24，功率35W，将市电转换为稳定的24V直流电压，为后续电路供电。

不同组件如国产CPU需3.3V供电，电流变送器需5V供电，使用DC-DC转换芯片进行降压或升压。以国产CPU供电为例，采用LM2596S-ADJ降压型DC-DC转换芯片将24V转换为3.3V。通过调整芯片反馈引脚的电阻R1和R2比值设定输出电压，计算公式为[Vout=1.23V×1+1.47kΩ1kΩ≈3.3V]，假设[R1=1kΩ]，[R2=1.47kΩ]，则[Vout=1.23V×1+1.47kΩ1kΩ≈3.3V]，该芯片最大输出电流达3A，满足多数国产CPU电流需求。转换效率满载时约80%，有效减少能量损耗。

为确保系统稳定运行，对转换后的电压进行稳压处理，在DC-DC转换芯片输出端使用低压差线性稳压器（LDO） AMS1117-3.3进行二次稳压，进一步稳定电压，减少电压波动；输出电压精度为±1%，1A负载时压差约1.2V，确保不同负载下输出电压稳定在3.3V左右。

2.3 软件系统架构

针对国产CPU硬件特性开发设备驱动程序以保障其正常工作，对于国产CPU的各类外设，如GPIO（通用输入输出） 、ADC（模拟数字转换器） 、SPI（串行外设接口） 等，编写相应驱动代码。以龙芯CPU为例，运用其开发工具链（如龙芯开发套件） 开发GPIO驱动程序，通过配置寄存器控制GPIO引脚输入输出模式[2]。

开发4-20mA电流变送器驱动程序，实现与电流变送器的通信和控制，当采用SPI通信协议，使用SPI驱动程序发送和接收数据。设备初始化时，向电流变送器发送特定配置命令，如[0x01]表示量程为[0-100]，[0x02]表示零点校准。读取电流变送器数据时，通过SPI驱动程序读取其寄存器数据，并将其转换为实际物理量值。根据公式[I=4mA+Vmeasured-1V×16mA4V]，假设使用250Ω采样电阻将电流转换为电压，将采集的电压值转换为相应电流值，进而转换为物理量。4mA表示零点，16mA表示量程范围，1V与4V由采样电阻和电流范围转换得到电压范围。

3 基于国产CPU的4-20mA电流变送器工业控制应用

3.1 过程控制

通过高精度采样电阻（例如250Ω，精度0.1%，温度系数50ppm/℃） 将4-20mA电流信号转换为电压信号，依据欧姆定律，4mA对应1V，20mA对应5V。将转换后的电压信号接入国产CPU内置的ADC（模拟数字转换器） 通道，或利用外部ADC芯片（如ADS1115，16位分辨率） 进行转换；当使用内置ADC，需确保其输入电压范围与转换后的电压信号相符，如0-5V。配置ADC采样参数，当国产CPU的ADC支持多种采样频率，将采样频率设置为10kHz，以满足多数工业制造场景的信号采集实时性需求；对于12位分辨率的ADC，可将0-5V电压范围量化为4096个等级。编写中断服务程序或轮询程序读取ADC转换后的数据，如采用中断方式，当ADC完成一次转换便触发中断，在中断服务程序中读取转换结果并存储至指定内存区域[3]。具体过程控制项目参数如表2所示。

3.1.1 控制算法实现

在软件中落实PID（比例-积分-微分） 控制算法，依据设定值与实际测量值的偏差计算控制输出。以温度控制为例，比例系数Kp设为0.5，积分系数Ki设为0.1，微分系数Kd设为0.05，控制周期T设为50ms。计算公式为[ut=Kpet+Kii=0teiT+Kdet-et-TT]。

式中，[ut]为控制输出，[et]为当前时刻偏差，[et-T]为上一时刻偏差。逻辑控制算法依照工业过程工艺要求编写逻辑控制程序，如液位高于上限值时关闭进水阀，液位低于下限值时打开进水阀[4]。

3.1.2 数据处理

为去除采集数据中的噪声干扰，采用数字滤波算法，如滑动平均滤波法，设置滤波窗口大小N为10，即每次采集新数据后，计算最近10个数据平均值作为有效数据，其计算公式为[x=1Ni=0N-1xi]。式中：[x]为滤波后平均值，[xi]为第i个采样数据。部分传感器输出信号与被测量间可能存在非线性关系，需进行线性化处理。通过最小二乘法拟合得到线性方程[y=ax+b]，其中，y为被测量实际值，x为采集并经滤波处理后的数据，a与b为拟合系数，如某压力传感器经标定得到[a=0.1]，[b=0]，则压力值[y=0.1x]。

3.1.3 执行机构驱动

依据逻辑控制算法或PID控制算法输出结果，设置GPIO引脚电平状态，如控制算法要求启动电机时，将对应GPIO引脚设为高电平；要求停止电机时，设为低电平。模拟量执行机构将PID控制算法计算得出的控制输出值（数字量） 通过DA模块转换为模拟电压或电流信号，如将0-4095范围的控制输出值转换为0-10V模拟电压信号用于控制调节阀开度，控制输出值与模拟电压信号转换关系为[V=104095u]，其中，V为模拟电压值，u为控制输出值。

3.1.4 监控报警

通过串口、以太网等通信接口，将采集数据、控制参数和系统状态发送到上位机（如工控机、PLC等） 实时显示，设置通信波特率为115200bps，采用ModbusRTU或TCP/IP协议进行数据传输。在上位机使用监控软件（如WinCC、组态王等） 展示实时数据曲线、报警信息等，便于操作人员实时掌握工业过程运行状态。设定关键参数上下限阈值，如温度上限100℃，下限20℃；压力上限5MPa，下限1MPa，当采集数据超出阈值范围，系统判定为故障，触发声光报警，并将故障信息（如故障时间、故障类型、故障参数值等） 记录到日志文件，便于后续分析处理。

3.2 制造自动化

选用国产实时操作系统，如麒麟V10实时版，该系统具备高实时性与稳定性，可满足工业制造自动化对响应速度和可靠性的严苛要求；采用国产CPU厂商提供的开发工具链，结合C/C++语言开展软件开发工作。在软件内实现PID（比例-积分-微分） 控制算法，依据设定值与实际测量值之间的偏差，计算得出控制输出，如在温度控制场景中，比例系数（Kp） 设定为0.5，积分系数（Ki） 设定为0.1，微分系数（Kd） 设定为0.05，控制周期设定为50ms。依照工业制造工艺的具体要求，编写逻辑控制程序，如当温度达到设定上限时，控制程序执行关闭加热设备的指令；当压力低于设定下限时，控制程序启动加压设备。通过国产CPU的GPIO（通用输入输出） 引脚输出高低电平信号，以此控制继电器，进而实现对电机启停的控制，输出高电平（3.3V） 时，电机启动；输出低电平（0V） 时，电机停止。利用DA模块将数字控制信号转换为模拟电压信号，从而控制调节阀的开度，如将0-4095的数字量转化为0-10V的模拟电压输出，0V对应调节阀完全关闭，10V对应调节阀完全打开[5]。

采样频率配置ADC采样频率为10kHz，可快速捕捉工业制造过程物理量变化，满足多数工业场景信号采集实时性需求。分辨率12位分辨率的ADC将0-5V电压范围量化为4096个等级，量化精度约1.22mV，保证采集数据准确。多通道采集当需同时监测温度、压力、流量等多物理量，利用ADC多通道功能，如同时采集3路温度、2路压力和1路流量信号，全面获取工业制造过程信息。依据工业制造工艺要求编写逻辑控制程序，如灌装生产线，检测到瓶子到位信号，传感器转化为数字信号接入CPU时，控制灌装阀开启；检测到灌装量达设定值，控制灌装阀关闭。

4 结束语

基于国产CPU的4-20mA电流变送器在工业控制领域潜力巨大，融合其自主可控与稳定信号传输特性，构建高效、可靠、安全的控制系统。从硬件接口到电源管理，再到软件架构与控制实现，各环节紧密配合，推进工业控制国产化，推动工业生产领域快速发展。但目前仍存在诸多挑战，如CPU性能提升、软件生态完善及设备兼容性优化，未来有望与新兴技术融合，推动工业控制向智能化、网络化方向发展。

参考文献：

[1] 吕鹏勃，何志强.智能压力变送器的功能安全自诊断[J].自动化与仪器仪表，2023（4）：301-304.

[2] 王福仁.基于LabVIEW与PLC的弧焊波形采集系统研究[J].南方农机，2024，55（15）：148-152，167.

[3] 刘忠强，张立，张春晓，等.4～20 mA压力变送器的研制[J].山西电子技术，2023（4）：101-104.

[4] 张易初.WIA-PA工业无线传感器网络系统的设计与应用[J].电子技术，2024（7）：10-12.

[5] 低成本4～20 mA振动速度变送器适用于工业振动监测[J].设备管理与维修，2023（6）：前插1.

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