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改造4-20mA两线制无源数显表第十二贴(作品提交) [复制链接]

 

 

给4-20mA两线制无源数显表增加蓝牙遥控设置电路

 

作者:7905

一、作品简介

        先给出作品最终工作效果照片:

image.png  

照片中左上角为本项目作品:RSL10模块插接在自制的光耦隔离电路板上,其整体再与被改造目标仪表(4-20mA两线制无源数显表)相串联后接入被测信号源也是供电电源的4-20mA电流环路中,在实际工作时的零点电流4mA供电时,目标仪表在电流模式下显示4.000mA;作品电路板整体压降2.513V;通过手机APP向作品电路上的RSL10发送改动量程或者单位设置命令,目标仪表(当前自身电压降1V多点)就会被蓝牙遥控改变设置状态,比如切换不同量程或不同被测物理量单位显示等。

 

二、系统框图

项目总体应用情况示意图:

image.png 在实际的工业现场应用中,各种各样的4-20mA两线制传感器变送器把被测物理量归一化转变成4-20mA电流,再通过采样电阻把对应的电压信号送进工控机或者PLC等进行后续控制处理;为了便于人机交互,市场上出现了大量能够实时现场显示被测环路电流或者电流所对应物理量值的数显仪表也就是本项目要改造的目标仪表:4-20mA两线制无源数显表,这类仪表多数可以通过本身自带的按键操作进行一些设置改动,我要改造的这台仪表则是需要与电脑连接后通过专用的PC机软件进行改动设置操作才行,借助本次RSL10应用大赛活动,我想把它改造成具有可以通过手机蓝牙APP进行现场在线改动设置的功能。

 

目标描述起来简单明了,实现起来也还需要先对整体方案进行评估论证才能确保达成目标,目前来说我遇到的所有蓝牙模块中这个RSL10是封装体积最小的(SIP51封装小到8*6毫米),工作电压竟然低到1.1V,规格书载3VRX峰值电流3毫安,针对本项目应用无疑是业界不二人选。按最直白的电路设计思维就是把RSL10电路接到原仪表电路上,蓝牙发过命令来直接转成IO口线去控制原仪表的编程口进行设置就行了,如下图方案一所示:

 

在收到开发板熟悉一阵后做了RSL10蓝牙在线侦听待机的耗电电流实验:上电没连接APP时待机耗电约1.1mA左右,实测过目标仪表最低工作驱动电流2.8毫安(还能有显示),理论上好像搭个边儿,可是实际接到一起合成一体后,直接给上4毫安,仪表怎么也亮不起来了,判断单片机在启动一刻的瞬时电流都会远超常态值的特性,这种有俩单片机加一起三个核(RSL10含双核)的电路能在4毫安下起得来估计也算怪事了。此路不通。接下来的思路是模仿目标仪表对环路总线取电升压构成自身电路电源(相对于目标仪表,改造电路后置),或者生成负压电源(相对于目标仪表,改造电路前置),目的就是要把两套电路电源轨“扯平”以满足可通讯需求,方案图如下:

image.png  

细想起来却有个隐藏的风险:靠被测电流取电工作的特点决定了随着电流变动其取电输出压降也是波动的,实测目标仪表在低工作电流时本身压降1V左右(其内部电路升高成了2.8V+),自制一套电源系统的话,无论在原仪表前置电路降压,或是后置电路升压都无法实现两个独立电源总是做到统一参考电平点,会导致通信双方IO口线电平参考不对齐,造成陡增电流风险,此路也不通。问题的关键点在于两套电路必须要通信,通信口线两端电平参考不能保持稳定,就只能寻找不需要依靠参考电平统一的通信方式,于是想到方案三,如图:

image.png 这也是本项目的最终选择方案,可以看出改造电路无论前置还是后置,都不用担心与目标仪表间波动的地压差了,这就是选出靠光耦来通信的办法以规避电流短路的过程;热衷于秉承“如无必要,勿增实体”的简单有效原则,决定采用光耦通信后,加改部分电路电源就既不用升压,也不用降压,只用简单的硅二极管串联产生的正向压降做工作电源,连LDO都省掉,只要能实现让RSL10在有限电流下能驱动光耦就行,这样的方案定出来简直显得简单到像没经过什么设计一样,“低陋”的外围也能实现“高上”的电路功能,显然是依靠凭借了RSL10集成的优异性能。硬件实现示意框图:

image.png

软件分两部分:手机端和RSL10端。RSL10的程序直接采用官方例程中的peripheral_server_uart,只是把蓝牙名称改成了

RSL10_Jul05_7905”,串口波特率改成2400,其它不变,所以也不用画框图了;手机端软件采用面向对象编程的中文E4A编制,框图如下:

image.png  

三、各部分功能说明

仪表配套上位机配置软件界面如下:

image.png

从界面直观可见软件首先具有设置量程大小和物理单位的功能区,其它串口设置和仪表校准、复位等之类就先不管了(工厂出厂前标定或校准仪表用的),本项目只求做到通过蓝牙遥控可以改动仪表的量程大小以及物理单位设置就达到目的了。软件左上功能区下拉列表点开后显示如下:

image.png 默认是显示电流的,所以起、止值也就自动填的420,这种状态仪表就是个4-20mA的电流表;如果选择了其它单位,比如KPa等,仪表的零点和满度值就可以自行设置了,填写好后点击下方的“下载设置”按钮,新的状态就写进并保存在仪表了,比如0-100KPa等等。

 

对于原配套PC机设置软件下发数据中具体数组元素与量程值或单位等的对应关系,通过以下制表观察办法获得:

image.png

可见对应代表单位的数组元素是第四字节;第七、八字节为量程,第七字节是高八位。数据获取就是开两个串口软件,一个是原配置软件发数据,另一个软件接收,这样可以把任何关心的信息通过发数软件的不同“特殊点”配置结果通过“下载设置”发送并“截获”出来。光耦隔离传输两种电源下高低电平信号是通过如下所示原理图实现的:

image.png  

图中“2V-IO-2”代表RSL10的发送端口,“3.3V-IO-2”代表目标仪表端单片机接收端口。

手机APP界面比较简单,望文知义型的,不必多说,界面如下:

image.png

四、作品源码

因为RSL10代码直接采用官方例程,只做了两处相关名称和波特率改动,就不列出源码了,手机端E4A程序源码按提交建议上传指定地址总是处于“暂未审核”状态,所以打算先随本提交贴单独上传文档吧,请见附件。

 

五、作品功能演示视频

最终功能演示视频地址:

12021安森美RSL10应用赛-数显表改造项目结项视频 - RSL10蓝牙模块耗电测试 - EEWORLD大学堂

22021安森美RSL10应用赛-数显表改造项目结项演示视频_哔哩哔哩_bilibili

视频简介:视频里我用了三块辅助仪表,一台键控恒流输出电流源表,一台电流表,一台电压表。电流源表的正极输出先经过串接电流表(用于观察总电路电流),再接到本项目自制的光耦隔离板+RSL10组合电路,再串接过目标仪表后回到电流源表负极;电压表跨接在自制电路的一进一出电源两端,用于观察实际电路在不同回路电流下工作压降值。目标仪表一般初始都设置成电流测量模式,所以一上电就显示回路电流值,改变电流源输出值,先经过测量中点,即12mA,看一下目标仪表示值,再升到满度值20mA,看示值是否准确,之后回到中点,再回到零点4mA;第二轮演示是通过手机APP改动设置目标仪表成500KPa压力测量状态,改设完成看到零点值显示由4mA)变成0,中点值显示接近250,满度值接近500,回到中点、回到零点后,第三轮演示把量程改成100,单位改成摄氏度,写入仪表后再验证零、中、满度电流下显示的050100(误差0.3%以内)摄氏度;最后一轮演示是直接点选APP下拉列表里的mA选项,可见量程值自动回填成20,写入仪表成功后,仪表就又恢复到测量显示电流表状态。

 

六、项目总结

 

从项目之初直到进行到前大半段的时间里,我都一直以为项目的重点在加改电路的电源处理和通信方式的选择上,这两条验证通过了项目就相当于完成了。前提必要条件都具备:原配电脑上位机设置软件有;目标仪表正常可用;RSL10模块硬件现成的,例程现成的,开发工具齐备;RSL10本身功耗大前提也满足:“Supply Voltage Range: 1.1 − 3.3 VPeak Rx Current = 3.0 mA (3 V VBAT)”,总体预测应该可以实现目标。其实在PCB投板之前我已经用相关元件搭棚焊做过一次模拟电路测试:就是用5只硅二极管串联做压降取电给RSL10模块供电,用光耦做隔离往电脑发数据,没有问题。板子做回迫不及待地按照从仪表原配PC端软件串口截获的数据让RSL10通过自制光耦隔离板往仪表发数据就怎么也没有反应,项目进程被一步步打回原形:怀疑过光耦问题、怀疑过总线取电供电不稳问题、怀疑过隔离后数据波形有畸变等等都通过想各种办法一一应对,总是不行,想起华罗庚说过的一句话,“善于退,足够的退,退到最原始而又不失去重要性的地方”——重新步步为营做实验吧,于是有了后来的做基础实验的发帖,隔离传数据电平的,隔离传数据字节的,甚至做让模拟用的MEGA88单片机收隔离发来的“原装”截获数据判断是否有误,都没问题!陷入了对传输协议的不知是软件还是硬件问题的困惑,过程中还伴随一些从来没遇见的“诡异”现象:电脑模拟串口还失灵了,有时候不收数,有时候明明设置波特率却不起作用,设置成任何接收波特率后发来的数都能一样正确接收显示,至今都没搞明白哪出了问题;后来干脆换一台电脑做实验才避开这个大坑!换电脑后串口“可信”了,又做了这样一个实验:让电脑用原配上位机软件发数据改动仪表设置,正常,改用其它串口软件发送相同截获的数据竟然不行,没反应!波特率一样啊,同时开两个串口上位机软件,一个接收数据,另一个交换测试由原配上位机和另外软件发相同数据,结果看到接收到的数据的确是一样一样的!不用自制电路,从电脑用别的软件发合法数据都不行,陷入僵局。苦闷中甚至生起对原仪表设计者反盗版技术运用效果的敬意!这样具体又不像问题的问题真实存在。日思夜想不得其解。“无魔不成道”,呆呆无意识的让电脑发数、接数,看屏幕上欻欻更新的一帧帧数据,也不知哪一次受了灵光的点拨:发现从原配软件发数时接收过来的数据帧好像有些微的不一样——似乎有慢那么一丢丢,用示波器查看,还真是:原配软件发的数据字节和字节间有一点点延时!真相大白!真是得来全不费功夫!突破性的要点就是:让手机APP发数时每个字节间都加上100毫秒延时。

 

4-20mA两线制无源数显表,所以叫“无源”,是指其工作在测量状态时不需要外接电源供电,仅仅依靠被测量电路回路的4-20mA信号的电能就能维持自身电路的正常工作;所以叫“两线制”,是指作为一种测量仪表,其对外接口只有两根引出线,工作时仅凭这两根引线串联接入被测回路就可以测量、显示所串接入的电路里流经电流的大小;4-20mA是到目前为止业界还在广泛采用的工业现场(也包括民用)应用总线的信号规范——即以直流4-20mA大小范围的电流代表被测量的各种物理量的大小,比如压力、温度、液位、流量、物位距离等等,打个比方要监测0-100℃的温度变化,我们就可以以4毫安代表对应低点(零点)的0℃,以20毫安代表对应高点(满量程)的100℃,这样电流值与温度值就建立起一一对应的比例关系了,我们就能根据电信号——电流值的大小求得对应温度值的大小,其它物理量如压力、物位、流量、液位等等也同理,因为这种4-20mA电流环总线方式应用广泛,所以市场上就应运而生了一种专门测量并显示这种电流环信号的仪表,因为是数字化的电子仪表,所以除了可以直接测量显示电流大小外,还能通过改变设置实现附带量程转换、单位转换或者量程百分比显示的功能,比如原来要测量显示0100KPa量程的压力,想改成要测量显示01000KPa量程的压力范围,由原理可知其对应的被测信号没变,还是4-20mA电流大小,只不过每单位电流对应的物理量值更改了而已,仪表内部根据设置自动进行计算、转换就能实现直接显示被测物理量大小的目的了,推广一下,还用同一台仪表去改测05米深的水位高低,同理也是直接可以替换的,唯一要改动的就是对仪表内先置的量程大小或物理单位做一下改动设置而已,由此可见这种仪表的适用性较广,另外不需要额外电源供电也是优势特色。我手头这种4-20mA测量表就是如上所述功能的数显仪表,不过要对其改动量程或者物理单位设置的话需要把仪表拿到生产标定工位上,连接电脑通过专用软件才能改设参数,对于千差万别的各种使用工况来说,比如有的仪表是安装在工矿企业的高大管路上,有的是安装在工厂机房的窄小角落里,粉尘、油污的环境都有可能,很多是不利于工作人员近身去拆卸和安装的环境,况且拆下来拿到办公室甚至拿回生产厂家去改设参数还会造成现场电路断线停测,而实际参数改设过程却只是个简短过程,只是连上电脑写进仪表一串参数而已,分分钟搞定的事,却花费相对很多的人力和时间用在拆卸和安装过程上,实属无用功,况且某些工况还不允许断电停工以支持拆卸在线工作的仪表,为此,正好借助这次比赛提供的资源进行一次仪表改造试验,力求把无用功的拆、装仪表过程省掉,也不用现场爬高、钻低的费时费力耗人工去改设参数,只需要工作人员走到仪表附近凭借智能手机蓝牙遥控操作就完成同样任务,实现现场参数设置轻松在线改动,应用便利、前景广阔。挑战也是有的,前面提到,这种仪表是自身不带电源的,况且要想正常工作,整机工作耗电要低于4毫安,因为被测信号电流也就是电能来源最小要低到4mA,仪表本身电路包括微处理器、变换电路、显示电路要正常工作就都需要耗电,甚至几个微安的电流都是宝贵的,原有仪表电路设计估计都已经“榨干了”4mA以下的每一点富余能量,想增加无线通讯功能进去挑战不小,最终通过采用光耦隔离通信方案得以成功解决,如愿以偿的把这款无源4-20mA数显表改造成了具有可蓝牙遥控设置的功能。

帖子分享链接汇总:

2021安森美安富利RSL10蓝牙SoC开发设计赛第一帖

2021安森美安富利RSL10蓝牙SoC开发设计赛第二帖(初改例程)

2021安森美安富利RSL10蓝牙SoC开发设计赛第三帖(再改例程)--没图再发一遍试试

2021安森美安富利RSL10蓝牙SoC开发设计赛第四帖(蓝牙电流)

2021安森美安富利RSL10蓝牙SoC开发设计赛第五帖(打样投板)

改造4-20mA两线制无源数显表第六贴(总示意图)

改造4-20mA两线制无源数显表第七贴(软件简介)

改造4-20mA两线制无源数显表第七贴(光耦实验)

改造4-20mA两线制无源数显表第八贴(硬件照片)

改造4-20mA两线制无源数显表第十贴(小功告成)

改造4-20mA两线制无源数显表第十一贴(过程小结)

 

七、其他

对于业内同行来讲,显然可见这次成功改造的延申意义,即普通常见的两线制仪表可以通过这种办法简单可靠的升级成具有蓝牙通讯功能的仪表,且被升级仪表不用做任何电路结构变更都行,当然也可按此思路重新设计靠光耦“分隔”、又一体化的新型两线制4-20mA蓝牙仪表,拥有可以媲美像HART通信类智能仪表的可双向通讯功能,却不必受限于依靠实际物理布线束缚,不必操心办理加入HART通信基金会会员的相关事宜,应用中不用额外再购买价格不菲的HART通信手操器,只需一部人手皆有、不太古董的智能手机就行了。2021-7-12

 

image.png

2021-7-11-RSL10应用赛-数显表改造项目手机APP源码.docx

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源代码

2021-7-10-改造4-20mA两线制无源数显表第十二贴(作品提交).rar

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楼主介绍方案三改造很实用,充分利用RSL10封装体积小的特点,比较适合4-20mA两线制无源数显表,通过手机蓝牙控制测量

 


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Jacktang 发表于 2021-7-12 11:22 楼主介绍方案三改造很实用,充分利用RSL10封装体积小的特点,比较适合4-20mA两线制无源数显表,通过手机蓝 ...


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一粒金砂(中级)

w494143467 发表于 2021-7-12 16:45 想法非常不错!点个赞!


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非常详细,非常细心,赞一个。

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一粒金砂(高级)

学习了

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您谦虚了,抽时间学习下您讲的微信小程序双向通信;微信+蓝牙,通讯空间一下就扩展成全球范围了  详情 回复 发表于 2021-7-14 18:41

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楼主好强,支持一下

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谢谢!  详情 回复 发表于 2021-7-14 18:43

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一粒金砂(高级)

对于工作电压稳定的场合,我会用电容隔离直流,直接传输信号

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“电容隔离直流”看样子是成功经验;算是微分信号传递的吗?是否跨双电源?  详情 回复 发表于 2021-7-14 18:49

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soso 发表于 2021-7-13 09:07 非常详细,非常细心,赞一个。


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您谦虚了,抽时间学习下您讲的微信小程序双向通信;微信+蓝牙,通讯空间一下就扩展成全球范围了


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柠檬酸钠 发表于 2021-7-14 11:34 楼主好强,支持一下

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一粒金砂(中级)

mcu5i51 发表于 2021-7-14 15:45 对于工作电压稳定的场合,我会用电容隔离直流,直接传输信号

“电容隔离直流”看样子是成功经验;算是微分信号传递的吗?是否跨双电源?


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