成都自动化开发：基于AD5420驱动输出4-20mA电流信号的方案

Posted 2020-11-26 yonkotech

文-沙鸥

1.电流信号输出的优势
话说到工业控制上的模拟信号，一般来说最常见的不过就是电压信号和电流信号，不过电流信号相比于电压信号却有着太多的优势了：
? 电流信号不受交流感应的影响，干扰问题易于解决。
? 电流信号不受传输线中的电感、电容等参数变化的影响。
? 长距离传输信号衰减小，在10到100米的距离内有很好的传输效果，而电压信号只适合于短距离的传输，且易受电磁干扰的影响。
正因为有着这么多优势，所以电流信号应用广泛。作为自控开发攻城狮来说在工作中会经常使用到电流信号，比如将来自仪表输出的4-20mA的信号采集到处理器里面，这个显然不难，那么有
个问题，假设控制器想要输出4（0）-20mA的电流信号给其他设备，该怎么实现呢？这个，就是本文的主要内容。

2.一些驱动电流信号输出的方案
驱动电流信号输出的方案有很多，本文只简单介绍几种比较常见的方案。
? 基于XTR111的方案
XTR111是TI公司的电流信号输出芯片，它能把输入的电压信号转换为0-20mA,4-20mA或5-25mA的电流信号输出，TI公司的其他芯片如XRT115/116等，也可以驱动输出4-20mA电流信号。XTR111方
案是将模拟电压信号转换为电流信号，假如我们一个项目使用微处理器来开发，且微处理器本身不带DAC的话，那么本身输出模拟电压信号就是一件麻烦的事情，所以这里就不细谈。
? 基于AD5420/AD5410的方案
那么，有没有直接把微处理器的数字信号直接转换为电流信号的器件呢？
这个肯定是有的，AD5420/5410就是能把数字信号直接输出转换为电流信号的一种器件，它们的特点如图 1。

3.AD5420怎么使用

AD5420是一个单通道、16位、串行输入、电流源DAC芯片，AD5410与AD5420的使用方法类似，只不过AD5410的输入数据是12位，AD5420的输入数据是16位，本文主要就讲一讲AD5420的用法。
3.1 AD5420与微处理器的连接电路和引脚定义


图 2为AD5420与微处理器的部分接线图，更详细的参考资料可以查看图 2中红色文字所示公众号或者图 1中 红色网址/资料中心 里面的同名文章中的附件（下用“附件”代替）。可以看出，
要让AD5420输出的电流信号受微处理器控制，需要将AD5420的FAULT、CLEAR、LATCH、SCLK、SDIN、SDO与微处理器的IO口连接起来，具体的引脚含义如下。

3.2微处理器怎么控制AD5420输出电流信号
AD5420里面有很多寄存器，其实微处理器控制AD5420的原理就是利用SPI通信协议控制改变AD5420内部对应寄存器的值来更新输出的电流信号，微处理器通过SPI读取AD5420寄存器的值来获得
AD5420的运行状态。

（1）AD5420的寄存器
AD5420的寄存器主要是移位寄存器，移位寄存器又包括地址字和数据寄存器、控制寄存器、复位寄存器、状态寄存器等，其中：
移位寄存器为一个24位的寄存器，由地址字节（8位）和数据字（16位）组成，地址字节主要是为了寻址对哪个寄存器进行操作，根据地址字节可以定位到数据寄存器、控制寄存器、复位寄存
器等，后面的数据字就是操作的参数。
数据寄存器为16位（根据地址字寻址，移位寄存器的低16位），这个数据的大小就直接映射到输出电流的大小。
控制寄存器为16位（根据地址字寻址，移位寄存器的低16位），用于对AD5420进行设置，包括选择外部电流设置电阻、输出使能、数字压摆、菊花链模式、输出范围选择等控制。
复位寄存器为16位（根据地址字寻址，移位寄存器的低16位），可以将器件复位到上电状态。
状态寄存器为16位（根据地址字寻址，移位寄存器的低16位），用于获取AD5420运行状态。

A 移位寄存器

移位寄存器是一个总的称呼，可读可写，使用的时候先用高8位定位到对哪个寄存器进行操作，后面再根据需要给定16位的操作参数。

B 数据寄存器

数据寄存器只能写入，这里的16位数据D就直接决定输出电流Iout的大小，输出电流Iout与数据存储器值D的对应关系如下：

C 控制寄存器

控制寄存器只能写入，用于对AD5420进行设置。具体参数设置含义如图 6。
另外的复位寄存器和状态寄存器等更详细的描述，可以查看附件。

（2）寄存器的读写时序

AD5420的数据交换是SPI通信协议，在SCLK时钟的驱动下通过SDI和SDO引脚进行数据读写，完成数据传输后需要LATCH上升沿的确认。关于SPI的介绍，可以查看图 2中红色文字所示公众号或者
图 1中红色网址/资料中心里面的一篇文章《SPI通信协议浅谈》。
需要注意的是，AD5420的数据交换是发生在SCLK的上升沿，这里的SCLK、SID、SDO脉冲信号对持续时间是有要求的，具体信息还是需要查看附件。

（3）怎么控制AD5420输出的电流
前面讲过，微处理器控制AD5420输出电流信号的原理就是利用SPI通信改变AD5420的数据寄存器的值，这样就可以改变输出电流的大小。

（4）向数据寄存器写数据控制输出电流的程序流程


全文完。更多信息，请查看图 2中红色文字所示公众号或者图 1中 红色网址/资料中心 里面的同名文章中的附件。