原创 智能型两线制4～20ma无源led显示电流表设计(tl431,lmv358,msp430f2013)

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在工控场合，两线制 4 ～ 20ma 电流传输使用非常广泛，由于电流传
输的优越性和两线制接线的方便性，这已经成为了变送器行业的标准输出。
本文针对两线制 4 ～ 20ma 输出的变送器设计了一个 LED 显示的表头，使用
了 TI 公司的 MSP430 微处理器和一些放大器，稳压电源等器件。这是一个 低
成本单性能非常好的方案。可以产品化，而其方案成本比市场上的方案更低 。
目前市场上销售的两线制表头主要有 LED,LCD 两种形式，显示位数主要有 三
位半，三又四分之三位和准四位表头。三位半表头设计采用的双积分 A/D 转
换器，价格低廉，但 是显示分辨率较低，调整不方便。准四位的表头一半采
用微处理器设计，成本较高，单显示分辨率高，而且校准，调整参数都很方
便。准四位现实的表头价格在 200 左右，三位半的价格在 100 元左右。此方 案
的硬件成本大约在 25 元以内，可见商品化意义重大。
下面我们来一个原理图来看一下：

本表头设计的一大亮点就是他是无源的，可以通过在 4 ～ 20ma 电流环中取 电 ，
供自身消耗，又可以测量此 4 ～ 20ma 的电流大小。而其还有一点就是采用 了
LED 显示器件，这完全可以满足一般工业环境要求。回路压降在 3.3V 左右。
我现在主要说明一下设计思路：
1. 电源
电源采用 TI 的并联基准电压 TL431 芯片，他是一个并联型的稳压电源，自 身
稳压功耗大约 100ua 左右。稳压在 3v 左右。电流在 4ma 时可以大约供出电 流3.9ma ，在 20ma 时通过自身流过多余的 16ma 电流，所以输出电压一直是 稳
定的。此电压作为表头整机电源。 TL431 电路接法采用典型应用电路，注意
最小工作电流要满足要求即可。电路中具有一个防止接反二极管保护。
2.led 及其驱动电路
LED 驱动采用动态定时刷新驱动，采用一片 74HC595 作为段驱动芯片，每 一
段单独限流。 LED 数码管需要采用高亮的型号才能保证在次低功耗电路中的
亮度。 74HC595 采用两线驱动，将锁存线与时钟线合在一块，节省单片机 的
IO 口。 74HC595 属于 cmos 芯片，自身静态功耗很低。位驱动采用单片机 管
脚直接驱动 . 注意ｌｅｄ工作电流的设定要合适 .

3.MCU 及 A/D 采集

MCU 采用 TI 公司新推出的 MSP430F2013 型单片机。他是一个 16 位的超低
功耗单片机，内部资源具有 2KB 的 FLASH, 一个具有两个定时模块的定时器 ，
FLASH 信息存储器， 16 位的 A/D 转换器，内部 1.2.4.8.16.32 倍的 PGA 放大
器，内部 DCO 振荡器，以及内部低频 VLO 振荡器，低电压复位监视器，复
位电路，以及 jtag 调试接口。 MSP430F2013 芯片内部资源丰富，几乎不用
添加外部器件就可以独立工作，而其功耗可以使用灵活的时钟模块和低功耗
模式达到超低功耗的目的，所以本设计采用此芯片能达到超低功耗 的性能。
本设计的核心芯片就是单片机。
4. 放大器和负电压发生器：
由于 MSP430F2013 的 A/D 输入共模电压范围不能低于地，所以如果要采集
回路电流，必须将回路电流使用运算放大器放大采集回来，所以使用放大器
反向放大方法将采集电阻上的电压反向放大到 A/D 的共模范围内，这样就可
以正确的采集了，但是放大器的共模电压范围也比较窄，本设计采用的是低

电压低功耗的普通单电源放大器，所以要使放大器正常工作，必须给放大器
提供负电源才可以。负电源产生的方法较多，可以使用专用的芯片，如
ICL7660 等，但是考虑到电路板面积和成本，本设计采用单片机输出矩形波 ，
然后使用二极管整流的方法，使用了 两个电容和两个二极管即可。成本优势
明显，电路更加简捷。负电源共给放大器使用，选择 TI 公司的 LMV358 放 大
器即可，此放大器功耗很低大约 100ua 左右。负电源绝对可以满足放大器的
要求。单片机输出矩形波方法横多，可以使单片机输出内部时钟，或者使用
定时器输出。具体看功耗要求和单片机内部资源情况。
5. 回路电流采集：

回路电流采集通过在系统虚拟地下面接 20 欧姆电阻采集，电阻电压变化范围
在 80mv ～ 400mv 之间。次电阻要求温漂要小 , 对精度没有要求。
6. 人机接口：
人机接口使用 2 个按键以及 4 位 LED 数码管，单片机采集按键状态，驱动 LE D
数码管与操作者交互。按键所采用独立端口按键。
7 系统软件设计：
系统软件主要需要完成以下功能， a/d 采集，负电压产生， LED 动态驱动，
菜单化参数设定以及标定，按键检测，参数存储及读取。所以要根据以上要
求分配单片机内部资源。
A/D 设定： a/d 的设定主要是设定其工作方式，连续与单次工作方式，设置 模
拟采集通道，图中采用 A0 和 A1 通道，设定 A0 通道连接外部管教， A1 接内 部
地。设定 A/D 的时钟，设定输出 2 进制码格式等。
定时器设定：定时器主要完成方波输出，以及 LED 定时刷新。采用中断方 式 。

分配内部模块 CCR1 为定时输出方波脉冲，脉冲频率可调，比内部时钟输出
更加灵活。内部模块 0 作为定时器，大约定时在 16ms 左右，这样刷新 LED 的
频率在 60HZ 左右，不会频闪，在模块 0 定时周期内检测按键，按键检测的 速
度有点快，可以在内部对此时间分频，比如每 6 个中断检测一次按键即可。
校准和设定参数保存读取：
使用单片机内部的 FLASH 信息存储器作为存储器，每次校准完毕保存，每 次
上电再读取。
MSP430F2013 单片机的 FLASH 只有 2kb ，所以要完成本表头的设计工作，
你需要仔细的编制程序，要节约每一个存储空间，巧妙的编程思路和方法是

必须的。当然本设计是完全可以实现的。
8. 调试接口及程序固化：
使用 TI 公司的 USB 型仿真器将程序下载到 MSP430F2013 单片机里面，由
于单片机采用了 SWT 两线调试接口，所以调试接线很少，调试特别方便。
总结：
本设计亮点一：在于使用了 TI 的 MSP430F2013 单片机，并充分的使用了 内
部资源，达到电路简捷，成本低的特点。
本设计亮点二：巧妙的负电源发生电路以及回路电流的采集。
本设计亮点三：环路窃电技术。并联型的稳压电源的使用，确保电路工作电
压的稳定和回路电流的通过。
这里只是说明了一些大概地思路和方法，当然电路中的元器件参数需要读者
自己确定，我只是介绍一种思路和方法。

本文属于原创设计，不存在抄袭和转载内容，本设计是第一次在 EDN 网上 发
布，没有在其他杂志发布过，版权属于作者个人所有，任何转载或发表均需
作者同意。本文发表的初衷是为了参加 TI 举办的模拟设计大赛，本设计电 路
的元器件均采用了 TI 公司的器件，虽是一个 MSP430 单片机的应用电路， 但
是其中模拟电路设计想法巧妙，具有创新性，而且都是采用的及其廉价的普
通器件。希望读者能投作者一票。当然本人知识浅薄，有什么说的不确定的
地方，欢迎读者留言，共同探讨，共同提高。
作者简介：
我主要从事压力传感器，变送器，智能化测控仪表的设计开发工作，具有 10
年的从业经验，设计国大大小小的变送器电路板，早期的模拟电路，现在的

数字电路，以及智能电路。早期主要设计模拟电路，对于放大器的应用可以
说非常娴熟，从开始进入这个行业到现在，所使用的元器件基本就是ＴＩ和
ＡＤＩ两家的产品，ｔｉ的产品线非常丰富，完全可以在ｔｉ找到全部设计
的ＩＣ电路，价格相对于ＡＤＩ来说要低一些，所以也是使用了大量的ＴＩ
的产品。现供职于国内规模较大的合资 OEM 压力传感器变送器制造单位。
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