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

?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：

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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LED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。欢迎广大网友和读者与作者交流。

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