自供电电流环路：仍然是一个可行的传感器接口选项

物联网连接是一个热门话题，但它并不是一个新想法，除了“互联网”方面。几十年来，工业和一些商业应用一直将各种传感器和换能器连接到基于计算机的数据采集和控制系统，而物联网正在扩大这些端点的范围和数量。

物理传输信号及其数据的方式有多种选择；一些方法需要少的信号调节，而其他方法更适合完全调节和数字化的信号。选项包括有线连接（例如使用 RS-423/485 的连接）以及无线连接（例如 Zigbee、蓝牙、Wi-Fi 和许多专有方法）。

所有这些物联网点都有一个共同点：它们显然需要电力才能运行。这可以通过能量收集（例如太阳能、振动、热能和射频）或长寿命电池获得；10 年是一个非常容易达到的寿命，使用以低占空比、低睡眠电流和合适的电池运行的系统。

具有讽刺意味的是，有一种较旧的有线替代方案可以解决电源问题：自供电 20 mA 电流环路接口（图 1）。人们很容易认为这个简单、古老的界面几乎已经过时，不推荐用于新设计，但事实并非如此。事实上，IC 供应商仍在为这个环路发布功能更强大的接口 IC 版本。

图 1 自供电电流环的设计是简单和技术简洁的缩影，这是其优势之一。（：ZHAW苏黎世应用科技大学）例如，今年早些时候，Maxim Integrated 推出了 MAX12900 ，这是一款超低功耗、高度集成的模拟前端 (AFE)，适用于 4–20 mA 传感器发射器（图 2）。它包括许多额外的功能和特性，但其是允许通过 2 线 4–20 mA 电流环路接收电源和传输数据。主要限制是传感器及其调节功能消耗的电流不超过 3–4 mA，在这种情况下，将需要外部传感器电源和更多电线，从而抵消了自供电布置的优势。

图 2 MAX12900 是一款相对较新的功能丰富的产品，针对这种非常古老的传感器接口方法：自供电电流环路。（：美信集成）当前循环的一些背景知识将提供一些上下文和观点，说明为什么这个接口仍在新设计中使用，而不仅仅是传统安装。多年来，随着控制系统在 1930 年代和 1950 年代之间从基于气动的实现方式转变为基于电气的实现方式，常见的接口是 0-20 mA 电流环路，也称为 4-20 mA 环路。

这个概念简单而有效：感兴趣的信号，无论是来自传感器还是效应器传感器，都使用 4 mA 表示信号值，使用 20 mA 表示信号值。虽然初用于模拟信号，但环路没有任何控制协议，因此可用于表示数字信号而不是模拟信号，具有的格式结构（如果有的话）。几十年前，由于信号调理电路及其 A/D 和 D/A 转换器大大降低了它们的功率需求，因此使用几 mA 的可用“”功率来操作该电路变得切实可行。

电流环路，无论是否自供电，都在工业环境中提供了一些主要优势。作为与 RS-423/485 等电压接口不同的低阻抗回路，它相对不受 EMI 影响，这在该环境中是一个主要优势。此外，由于电流下降到易于识别的 0 mA，它还有一个完整的、的方式让系统知道电线断了（常见的故障模式）。，作为每个端点一个环路的互连，它非常容易安装、标记、跟踪和故障排除。

缺点是随着单个回路数量的增加，电线和安装工作的成本不断增加，而且需要为每个回路提供一个电流源，该电流源可以提供从几伏到大约 24 VDC 的任何地方。如果多个环路分布在不同的位置，则可能需要电流隔离以避免接地环路问题。

毫无疑问，古老的自供电电流环路仍然占有一席之地。与大多数工程决策一样，没有简单、单一的“正确”选择，而是在每种情况下只有一个“”解决方案，诚然需要权衡和妥协。尽管如此，不要急于采用、的方法，因为一个古老的、长期存在的方法可能仍然是一个不错的选择。

您是否曾将 20 mA 自供电回路用于传感器？您是否曾尝试过使用更复杂的接口，如 Zigbee 或 Wi-Fi，甚至是经典的 RS-422/485，却只能恢复到当前环路？