为什么在社会应用中采用4-20毫安电流传输模拟量信号485协议和Modbus协议的选择分析
当我回顾工业通信领域的常用技术时，我注意到RS232、RS485和CAN等数字信号传输方式是众所周知的。然而，如何处理模拟信号在工业应用中变得尤为重要，因为许多物理量，如温度、压力和速度，都需要转换成模拟电流才能在数百米范围内安全地传输到控制室或显示设备。这里，4-20毫安（mA）电流作为最广泛采用的方法，它提供了几个关键优势。
首先，这种选择减少了干扰，因为尽管现场噪声可能达到几伏特，但它通常以微安（nA）级别的电流形式出现，从而对4-20mA信号产生的影响非常小。此外，由于电源具有极高阻抗且恒定输出，在接收端，只需一个250欧姆至地之间的电阻即可将输入转换为0至5伏特。这使得低输入阻抗接收器能够有效过滤出nA级别的输入噪声。
选择上限20mA并非偶然，它反映了防爆要求：任何导致通断引起火花能量不足以点燃瓦斯气体的情况都被认为是安全的。而下限设置为4mA则允许检测线路故障。在正常操作状态下，不会低于这个值；一旦发生断线，环路当前流量降至零，可作为故障警报。当变送器将物理量转换成4-20mA输出时，它必须依赖外部供电源。
四线制变送器通过两根供电线加上两根数据输出线共享四根导线，而三线制变送器通过共享VCC或GND与数据输出共享一条导线来节省空间。实际上，如果设计得当，即使可以独立供给变送器，也可以实现仅需两根导线连接即可运行，即所谓之“两线制”模式。在这种情况下，一些DC/DC转换器、高效率传感器和处理器对于保持系统功耗低成为必要。
为了实现这一目标，我们需要开发一个VI（Voltage-to-Current）转换器，可以从0至3.3伏输入，并输出4至20毫安。我发现运放LM358是一个合适的选择，配合+12伏额外供电便能完成任务。这项挑战不仅考验我们的创新思维，还促进了更高效、更经济实用的解决方案，使我们能够构建更加精密且可靠的人机交互系统。
