技术领域
[0001] 本
发明属于电
力电子变换与控制技术领域，具体涉及一种基于PWM波的多 通道4-20mA控制指令转换系统。
背景技术
[0002] 工业上普遍需要测量各类非电物理量(例如
温度、压力、速度、
角度等) 和电物理量(例如
电压、
电流、
电阻、磁感应强度等)，并且需要借助某些转换 装置/设备(常称为变送器设备)，将它们转换成易于传输的模拟量电
信号。工 业现场运行实践表明，要将上述物理量可靠、安全、健康地传输到数百米外的 控制室或显控装置上，最广泛的做法就是采用4～20mA电流来传输，其原因在 于：
[0003] (1)所传输的模拟量不容易被干扰，因为工业现场的噪声电压的幅度可能 达到数V，但是噪声的功率却很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此伴随 4-20mA的传输带来的误差非常小；
[0004] (2)由于电流源内阻无穷大，
导线电阻
串联在回路中并不会影响测试或者 控制
精度，在常规的普通双绞线上就可以传输数百米以上；
[0005] (3)采取4～20mA电流来传输模拟量时，上限取20mA是为了需要满足防 爆的要求，因为20mA的电流通断引起的火花
能量不足以引燃瓦斯之类的气 体；下限没有取0mA的原因是为了能检测断线故障，因为正常工作时不会低于 4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0mA。在运行现场，工程上的常规 做法是取2mA作为断线报警值；
[0006] (4)由于电流源的大内阻和恒流输出，工程师经常会在接收端放置一个 250欧姆到地的取样电阻，即可获得0-5V的取样电压，采用低输入阻抗的接收 器的原因是nA级的输入电流噪声只会产生非常微弱的电压噪声。
[0007] PWM(Pulse Width Modulation)，即脉冲宽度调制技术，简称
脉宽调制。 它是利用
微处理器的数字输出来对模拟
电路进行控制的一种非常有效的技术， 因其控制简单、灵活和动态响应好等优点，逐渐成为电力电子技术中应用最广 泛的控制方式，其应用领域包括测量、通信、功率控制与变换、
电动机控制、 伺服控制、调光、
开关电源，甚至某些音频
放大器。
[0008] 随着智能控制技术、远程仪表技术、变频调速技术的飞速发展，4-20mA 电流
输出信号以其较高的抗干扰能力、简单，被广泛用于工业现场。特别是在 电力电子装置中，目前基于PWM控制技术被广泛使用，进一步促进了基于 PWM波的4-20mA信号转换电路的大量使用。
[0009] 不过，在运行实践中发现，如果不采取必要的措施，基于PWM波的 4-20mA信号转换电路的精度达不到电力电子装置的控制技术要求，而不得不采 用外接转换模
块，虽然精度得到了进一步提高，但是价格一般较为昂贵，尤其 是随着通道数的增加，既增加了成本，而且还由于外增了转换模块，使用起来 方便性差、故障率高、可靠性低。
[0010] 本发明选择STM32F417作为应用
实施例进行说明，但是，并不囿于该芯 片充当CPU，其它如DSP、FPGA以及其它
单片机等，均可以充当此用途的 CPU。STM32F417的TIMx是TIMx_ARR寄存器确定
频率(周期)、由 TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。TIMx_CCRy为通道y的比较寄存器 (寄存器中x代表
定时器编号，y代表通道编号)，TIMx_ARR为周期寄存 器，同一个定时器的所有通道共用一个周期寄存器。
[0011] PWM本质上其实就是一种周期固定(即频率固定)，而高低电平的占空比 可调的方波信号。脉冲宽度调
制模式可以生成一个信号，该信号频率由 TIMx_ARR寄存器值决定，其占空比则由TIMx_CCRx寄存器值决定，典型 PWM
波形，如图1-1。图1-1中的T是ARM中的计数脉冲的基本周期，也就 STM32F417定时器的计数频率倒数，即ARM每隔T时间，记一次数(计数器 的值增加或者减少1)；N是PWM波一个周期的计数脉冲数，也就是 STM32F417的ARR-1的值(在递增计数模式下，计数器从0计数到自动重载 值(TIMx_ARR寄存器的内容)，然后重新从0开始计数并生成计数器上溢事 件)；n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲数，也就是STM32F417的 CCRx的值(捕获/比较寄存器(TIMx_CCRx)用来
锁存计数器的值)；VH和VL分别是PWM波的高低电平压值，t为时间。
[0012] 数学知识告诉我们，将图1-1中所示的波形进行傅里叶级数展开之后，会得 到除了
直流分量、基次谐波分量之外，还有大于1次的高次谐波分量。直流分 量从VL到VL+VH之间变化。因此，如果能把除直流分量外的谐波过滤掉，则 可以实现从输出PWM波到获得稳定、脉动成分极少的直流电压的转换过程， 即PWM波可以通过一个低
滤波器进行解调得到稳定的直流电压信号，再将该 直流电压信号通过电压/电流转换电路，转换成4-20mA信号，以便实现远距离 传输控制指令，达到按照既定策略控制被控对象的目的。
发明内容
[0013] 本发明的目的在于克服上述
现有技术的不足之处，提供一种基于PWM波的 多通道4-20mA控制指令转换系统，它特别适用于传输控制指令信号距离远、精 度要求高、现场工作环境中
电磁干扰强的场合。
[0014] PWM作为一种对
模拟信号电平进行数字编码的方法，通过高
分辨率计数器 的使用，方波的占空比被调制用来对一个具
体模拟信号的电平进行编码。因此， PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么有(当 PWM为高电平时，电力电子开关器件开通ON)，要么完全没有(当PWM为低 电平时，电力电子开关器件关断OFF)。电压源或电流源是一种借助电力电子开 关器件的开通(ON)而开通或借助电力电子开关器件的关断(OFF)而关断的 重复脉冲序列被加到模拟负载上去的一个过程的累积作用，即电力电子开关器件 开通(ON)的时候，就是直流供电被加到负载上的时候，反之，电力电子开关 器件关断(OFF)的时候，就是供电被断开(即负载上没有加电)的时候。只要 带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
[0015] 理论研究与运行实践均表明，绝大多数负载，无论是感性负载还是容性负载， 需要的调制频率都会超过数十Hz。常规做法就是将常调制频率确定为数kHz到 数百kHz之间。占空比是接通持续时间(电力电子开关器件开通(ON))与周 期之比(当然，调制频率为周期的倒数)。目前，运动控制系统或电动机控制系 统中实现PWM的方法主要有传统的数字电路方式、专用的PWM集成电路、单 片机实现方式和
可编程逻辑器件实现方式。用传统的数字电路实现PWM，电路 设计较复杂，体积大，抗干扰能力差，系统的控制周期较长。专用的PWM集成 电路或带有PWM的单片机价格较高。对于借助单片机中无PWM输出功能的情 况，实现PWM将消耗大量的时间，大大降低了CPU的效率，而且得到的PWM 信号精度不太高。
[0016] 本发明设计了一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，由高 性能、低成本广泛应用于
嵌入式系统中的ARM充当CPU，由ARM的TIMX的 多通道PWM波形，产生所需频率(固定)、占空比可调的多通道PWM波电压 信号，将其转换成多通道4-20mA电流输出信号，既可以提高抗干扰能力，还能 实现多通道、远距离传输，且控制精度高、性能稳定、运行可靠。
[0017] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于PWM波的多通道 4-20mA控制指令转换系统，其特征在于，该转换系统包括
控制器单元、电平转 换单元、隔离变换单元、低通滤波单元、4-20mA电压/电流转换单元、电流信号 传输线缆和负载
接口单元共计七个组成部分。现将它们说明如下：
[0018] (1)控制器单元，是利用ARM(当然也可以采取其它如DSP、FPGA以及 其它单片机等)充当CPU，借助它的TIMX的多通道PWM波形，产生所需频 率的多通道PWM波电压信号；
[0019] (2)电平转换单元，是将ARM所产生的具有固定频率、占空比可控的多通 道PWM波电压信号的电平幅值，转换成后续电路所需的电平幅值，提高
信噪比；
[0020] (3)隔离变换单元，是将控制器单元和电平转换单元所在的地线与后续处 理电路的地线分隔开，使得隔离电路的原方与副方电路之间没有电的直接连接， 防止它们之间因有电的连接而引起干扰，特别是对于电力电子装置中的低压控制 电路与外部高压电路之间，更是容易产生干扰，耦合到各个通道中去；
[0021] (4)低通滤波单元，能够将PWM输出的信号中除直流分量外的谐波过滤 掉，得到稳定的、脉动成分极少的直流电压；
[0022] (5)4-20mA电压/电流转换单元，是将低通滤波单元输出的稳定的、脉动 成分极少的直流电压，转换成与其幅值成正比的4-20mA电流信号，以满足远距 离传输控制指令的应用需求；
[0023] (6)
信号传输线缆，是将4-20mA电压/电流转换单元输出的电流信号，经 由抗干扰能力强的四组两两双绞的屏蔽线，传送到负载接口单元；
[0024] (7)负载接口单元，接收来自电流信号传输线缆中的4-20mA电流信号，利 用
终端电阻，将其转换为所需的电压信号，并进一步传送到控制室或显控装置上， 以执行后续既定操作。
[0025] 实现本发明的具体技术方案如下：
[0026] 一种基于PWM波的多通道4-20mA控制指令转换系统，包括依次连接的控 制器单元(1)、电平转换单元(2)、隔离变换单元(3)、低通滤波单元(4)、4-20mA 电压/电流转换单元(5)、电流信号传输线缆(6)和负载接口单元(7)；
[0027] 控制器单元(1)产生四通道PWM波电压信号，四通道PWM波电压信号 经由电平转换单元(2)处理，得到适合后续处理的电平幅值之后，再传送给隔 离变换单元(3)，进行原方与副方电路之间的隔离变换处理，再将隔离变换得到 的PWM波电压信号，传送给低通滤波单元(4)，将PWM方波电压
信号处理 得到
波动幅值极小的稳定的直流电压信号，并进一步送入4-20mA电压/电流转 换单元(5)，转换成与其输入电压幅值成正比的4-20mA电流信号，再经由电流 信号传输线缆(6)，将四个通道的4-20mA电流信号传输给负载接口单元(7) 中的终端电阻RL1～RL4；
[0028] 控制器单元(1)与电平转换单元(2)之间通过接线
端子T1～T4连接，控制 器单元(1)产生的四通道PWM波信号经由接线端子T1～T4传送到电平转换单 元(2)；
[0029] 电平转换单元(2)与隔离变换单元(3)之间通过接线端子T5～T8连接，电 平转换单元(2)处理后的四通道PWM波信号经由接线端子T5～T8传送到隔离 变换单元(3)；
[0030] 隔离变换单元(3)与低通滤波单元(4)之间通过接线端子T9～T16连接，将 隔离变换单元(3)获得的PWM方波信号，可靠传输到低通滤波单元(4)中；
[0031] 低通滤波单元(4)与4-20mA电压/电流转换单元(5)之间通过接线端子 T17～T24连接，PWM方波电压信号被低通滤波单元(4)处理后得到的直流电压 信号，再传输给4-20mA电压/电流转换单元(5)；
[0032] 4-20mA电压/电流转换单元(5)与电流信号传输线缆(6)之间通过接线端 子T25～T32连接；
[0033] 电流信号传输线缆(6)与负载接口单元(7)之间通过接线端子T33～T40连 接。
[0034] 所述控制器单元(1)采用芯片A1作为CPU，芯片的型号为STM32F417， 利用它的定时器TIM5中的四个通道，即TIM5_CH1、TIM5_CH2、TIM5_CH3 和TIM5_CH4产生四通道周期固定、占空比可调的PWM波；电平转换单元(2) 采用芯片A2实现，用以完成四通道3.3V和5V双向电平转换；
[0035] TIM5_CH1对应控制器单元(1)的芯片A1的第34脚，TIM5_CH2对应芯 片A1的第35脚，TIM5_CH3对应芯片A1的第36脚，TIM5_CH4对应芯片A1的第37脚，芯片A1的第34脚与电平转换单元(2)的芯片A2的第2脚相连， 芯片A2的第2脚与接线端子T1相连；芯片A1的第35脚与芯片A2的第3脚相 连，芯片A2的第3脚与接线端子T2相连；芯片A1的第36脚与芯片A2的第4 脚相连，芯片A2的第4脚与接线端子T3相连。芯片A1的第37脚与芯片A2的 第5脚相连，芯片A2的第5脚与接线端子T4相连。
[0036] 所述控制器单元(1)中芯片A1的第105脚、第109脚、第110脚、第133 脚和第25脚接编程接口J1，芯片A1的第138脚接电阻RA1的一端，电阻RA1的 另一端接地线GND1，芯片A1的第6脚接电源UDD，芯片A1的第6脚接电容 CA1的一端，电容CA1的另一端接地线GND1；芯片A1的第
33脚接电感LA1的 一端，电感LA1的另一端接电源US1+；芯片A1的第33脚同时接电容CA3的正极 和电容CA2的一端，电容CA3的负极和电容CA2的另一端同时接地线GND1；芯 片A1的第31脚接地线GND1，芯片A1的第121脚接电源US1+，该引脚同时接 电容CA4的一端，电容CA4的另一端接地线GND1；芯片A1的第23脚接电容CA5的一端，电容CA5的另一端接地线GND1；晶振Y1的
外壳接地线GND1，晶振 Y1的一端接芯片A1的第23脚，晶振Y1的另一端接电阻RA2的一端，电阻RA2的另一端同时接电容CA6的一端，电容CA6的另一端接地线GND1；芯片A1的 第106脚接电容CA7的一端，电容CA7的另一端接地线GND1；芯片A1的第71 脚接电容CA8的一端，电容CA8的另一端接地线GND1；芯片A1的第143脚接 电容CA9的一端，电容CA9的另一端接地线GND1；芯片A1的第
143脚接电感 LA2的一端，电感LA2的另一端同时接电源US1+和电容CA10的一端，电容CA10的另一端接地线GND1；芯片A1的第8脚接电容CA11的一端，电容CA11的另一 端接地线GND1；晶振Y2的一端接芯片A1的第8脚，晶振Y2的另一端接芯片 A1的第9脚；芯片A1的第9脚接电容CA12的一端，电容CA12的另一端接地线 GND1；芯片A1的第120脚接地线GND1。
[0037] 所述电平转换单元(2)的芯片A2的第1脚接电源US1+，芯片A2的第2脚 与接线端子T1相连，芯片A2的第3脚与接线端子T2相连，芯片A2的第4脚与 接线端子T3相连，芯片A2的第5脚与接线端子T4相连，芯片A2的第7脚与地 线GND1相连，芯片A2的第8脚与隔离变换单元(3)的接线端子T8相连，芯 片A2的第10脚与隔离变换单元(3)的接线端子T7相连，芯片A2的第11脚与 隔离变换单元(3)的接线端子T6相连，芯片A2的第12脚与隔离变换单元(3) 的接线端子T5相连；芯片A2的第13脚接电源US2+，该引脚同时与电容CA14的 一端相连，电容CA14的另一端接地线GND1，芯片A2的第14脚和第1脚相连， 芯片A2的第14脚接电容CA13的一端，电容CA13的另一端接地线GND1。
[0038] 所述隔离变换单元(3)包括芯片A3和芯片A4，芯片A3是数字隔离芯片， 用以完成4路PWM波形的隔离变换处理，芯片A4是稳压电源芯片；
[0039] 芯片A3的第1脚和第7脚同时连接电容C1的一端，且电容C1的该端同时 连接电源US2+，电容C1的另一端和芯片A3的第2脚相连，芯片A3的第2脚与 地线GND1相连，隔离变换单元(3)的芯片A3的第3脚与接线端子T5相连， 芯片A3的第4脚与接线端子T6相连，芯片A3的第5脚与接线端子T7相连，芯 片A3的第6脚与接线端子T8相连，芯片A3的第7脚与芯片A3的第1脚相连， 芯片A3的第8脚连接地线GND1；芯片A3的第9脚与地线GND2相连，芯片 A3的第10脚和芯片A3的第16脚同时接电容C2的一端，电容C2的另一端与芯 片A3的第15脚相连，芯片A3的第11脚与低通滤波单元(4)的接线端子T15相连，芯片A3的第12脚与低通滤波单元(4)的接线端子T13相连，芯片A3的 第13脚与低通滤波单元(4)的接线端子T11相连，芯片A3的第14脚与低通滤 波单元(4)的接线端子T9相连，芯片A3的第15脚与地线GND2相连，芯片 A3的第16脚与芯片A4的第1脚相连；芯片A3的第9脚分出4根接线端子T10、 T12、T14和T16，因此，4根接线端子T10、T12、T14和T16同时与地线GND2相连；
[0040] 芯片A4的第1脚与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与GND2相连， 芯片A4的第2脚和第6脚同时与电源US3+相连，芯片A4的第4脚与地线GND2 相连，电容C3的一端同时与芯片A4的第2脚和第6脚相连，电容C3的另一端 和地线GND2相连。
[0041] 所述低通滤波单元(4)包括第一低通滤波电路(4-1)、第二低通滤波电路 (4-2)、第三低通滤波电路(4-3)、第四低通滤波电路(4-4)；第一低通滤波电 路(4-1)包括第一
滤波器组件(4-1-1)、第二滤波器组件(4-1-2)、第三滤波器 组件(4-1-3)、第四滤波器组件(4-1-4)；第一滤波器组件(4-1-1)、第二滤波器 组件(4-1-2)、第三滤波器组件(4-1-3)、第四滤波器组件(4-1-4)分别包括芯 片A5A、芯片A5B、芯片A6A、芯片A6B；
[0042] 第一滤波器组件(4-1-1)经由接线端子T9和T10获取隔离变换单元(3)传 输的方波电压信号；接线端子T9接电阻R1的一端，电阻R1的另一端同时连接 电阻R2的一端与电容C5的一端，电阻R2的另一端与芯片A5A的第3脚相连， 电容C5的另一端与芯片A5A的第1脚相连；芯片A5A的第3脚和电容C4的一端 相连，电容C4的另一端和地线GND2相连；芯片A5A的第2脚同时连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端和地线GND2相连，电阻R4的另一 端和芯片A5A的第1脚相连；芯片A5A的第4脚接直流电源US4-，芯片A5A的第 8脚接直流电源US4+；电容CS1的一端与芯片A5A的第4脚相连，电容CS1的另 一端和地线GND2相连；电容CS2的一端与芯片A5A的第8脚相连，电容CS2的 另一端和地线GND2相连；接线端子T10与GND2相连；
[0043] 第二滤波器组件(4-1-2)中的电阻R5的一端与A5A的第1脚相连，电阻R5的另一端同时与电阻R6的一端和电容C7的一端相连，电容C7的另一端与芯片 A5B的第7脚相连，电阻R6的另一端与芯片A5B的第5脚相连；电容C6的一端 与芯片A5B的第5脚相连，电容C6的另一端和地线GND2相连；电阻R7的一端 与A5B的第6脚相连，电阻R7的另一端和地线GND2相连；电阻R8的一端与 A5B的第6脚相连，电阻R7的另一端和A5B的第7脚相连；
[0044] 第三滤波器组件(4-1-3)中的电阻R9的一端与A5B的第7脚相连，电阻R9的另一端同时连接电阻R10的一端与电容C9的一端，电阻R10的另一端与芯片 A6A的第3脚相连，电容C9的另一端与芯片A6A的第1脚相连；芯片A6A的第3 脚和电容C8的一端相连，电容C8的另一端和地线GND2相连；芯片A6A的第2 脚和芯片A6A的第1脚相连；芯片A6A的第4脚接直流电源US4-，芯片A6A的第 8脚接直流电源US4+；电容CS3的一端与芯片A6A的第4脚相连，电容CS3的另 一端和地线GND2相连；电容CS4的一端与芯片A6A的第8脚相连，电容CS4的 另一端和地线GND2相连；
[0045] 第四滤波器组件(4-1-4)中的电阻R11的一端与A6A的第1脚相连，电阻 R11的另一端同时与电阻R12的一端和电容C11的一端相连，电容C11的另一端与 芯片A6B的第7脚相连，电阻R12的另一端与芯片A6B的第5脚相连；电容C10的一端与芯片A6B的第5脚相连，电容C10的另一端和地线GND2相连；芯片 A6B的第6脚和芯片A6B的第7脚相连；芯片A6B的第7脚与4-20mA电压/电流 转换单元(5)的接线端子T17相连；第四滤波器组件(4-1-4)中的地线GND2 与4-20mA电压/电流转换单元(5)的接线端子T18相连，即经由接线端子T17和T18，将第一低通滤波电路(4-1)处理得到的直流电压信号，传送到4-20mA 电压/电流转换单元(5)。
[0046] 所述第二低通滤波电路(4-2)，经由接线端子T11和T12接收隔离变换单元(3) 的信号，并传送到四个滤波器组件，将PWM方波电压信号处理得到纹波极小 的直流电压信号，再经由接线端子T19和T20，将第二低通滤波电路(4-2)处理 得到的直流电压信号，传送到4-20mA电压/电流转换单元(5)；
[0047] 第三低通滤波电路(4-3)，经由接线端子T13和T14接收隔离变换单元(3) 的信号，并传送到四个滤波器组件，将PWM方波电压信号处理得到纹波极小 的直流电压信号，再经由接线端子T21和T22，将第三低通滤波电路(4-3)处理 得到的直流电压信号，传送到4-20mA电压/电流转换单元(5)；
[0048] 第四低通滤波电路(4-4)，经由接线端子T15和T16接收隔离变换单元(3) 的信号，并传送到四个滤波器组件，将PWM方波电压信号处理得到纹波极小 的直流电压信号，再经由接线端子T23和T24，将第四低通滤波电路(4-4)处理 得到的直流电压信号，传送到4-20mA电压/电流转换单元(5)。
[0049] 所述4-20mA电压/电流转换单元(5)包括第一4-20mA电压/电流转换电路 (5-1)、第二4-20mA电压/电流转换电路(5-2)、第三4-20mA电压/电流转换电 路(5-3)和第四4-20mA电压/电流转换电路(5-4)；
[0050] 第一4-20mA电压/电流转换电路(5-1)经由接线端子T17和T18接收第一低 通滤波单元(4-1)处理后得到的直流电压信号；第一4-20mA电压/电流转换电 路(5-1)包括芯片A7；电阻R14的一端与接线端子T17相连，电阻R14的另一端 接芯片A7的第3脚；芯片A7的第4脚接电阻R16的一端，电阻R16的另一端与 地线GND2相连；芯片A7的第5脚接电阻R13的一端，电阻R13的另一端与地 线GND2相连；芯片A7的第6脚接电阻R17的一端，电阻R17的另一端与地线 GND2相连；芯片A7的第7脚接地线GND2；芯片A7的第8脚与电容C13的一 端连接，电容C13的另一端和芯片A7的第4脚相连；芯片A7的第9脚接电阻 RG1的一端，电阻RG1的另一端与芯片A7的第10脚相连；芯片A7的第11脚和 直流电源US5-相连；芯片A7的第11脚与芯片A7的第8脚相连；芯片A7的第15 脚和直流电源US5+相连；电容C12的一端与芯片A7的第15脚相连，电容C12的 另一端和地线GND2相连；电容C14的一端与芯片A7的第11脚相连，电容C14的另一端和地线GND2相连；电阻R15的一端接芯片A7的第4脚，电阻R15的 另一端与参考电压VREF1的正极相连，VREF1的负极与地线GND2相连；接线端 子T25与芯片A7的第8脚相连，接线端子T26与芯片A7的第7脚相连；接线端 子T25经由电流信号传输线缆(6)与接线端子T33相连，接线端子T26经由电流 信号传输线缆(6)与接线端子T34相连；负载接口单元(7)中的终端电阻RL1的一端与接线端子T33相连，终端电阻RL1的另一端与接线端子T34相连；通过电 流信号传输线缆(6)，经由接线端子T33和T34，将4-20mA电压/电流转换电路 (5-1)处理得到的4-20mA电流信号，传送给负载接口单元(7)中的终端电阻 RL1。
[0051] 所述第二4-20mA电压/电流转换电路(5-2)经由接线端子T19和T20接收第 二低通滤波单元(4-2)处理后得到的直流电压信号；将经过第二4-20mA电压/ 电流转换电路(5-2)得到的电流信号经由接线端子T27和T28传输给电流信号传 输线缆(6)，然后经由接线端子T35和T36，将第二4-20mA电压/电流转换电路 (5-2)处理得到的4-20mA电流信号，传送给负载接口单元(7)中的终端电阻 RL2；
[0052] 第三4-20mA电压/电流转换电路(5-3)经由接线端子T21和T22接收第三低 通滤波单元(4-3)处理后得到的直流电压信号；将经过第三4-20mA电压/电流 转换电路(5-3)得到的电流信号经由接线端子T29和T30传输给电流信号传输线 缆(6)，然后经由接线端子T37和T38，将第三4-20mA电压/电流转换电路(5-3) 处理得到的4-20mA电流信号，传送给负载接口单元(7)中的终端电阻RL3；
[0053] 第四4-20mA电压/电流转换电路(5-4)经由接线端子T23和T24接收第四低 通滤波单元(4-4)处理后得到的直流电压信号；将经过4-20mA电压/电流转换 电路(5-4)得到的电流信号经由接线端子T31和T32传输给电流信号传输线缆(6)， 然后经由接线端子T39和T40，将第四4-20mA电压/电流转换电路(5-4)处理得 到的4-20mA电流信号，传送给负载接口单元(7)中的终端电阻RL4。
[0054] 具体而言，本发明的优点在于：
[0055] (1)本转换系统采用两线制(单通道)、多通道、一体化集成式结构，确保 转换系统布置合理、结构紧凑、成本低廉、易于装拆；
[0056] (2)本转换系统能够实时跟随既定控制策略、可靠调整PWM波的频率、方 便控制PWM波的占空比变化，从而自动调整4-20mA输出电流的大小，以满足 远距离可靠、安全、健康传输控制指令的技术要求；
[0057] (3)本转换系统的参数设置灵活、方便，可以快速、平稳、无缝切换，获得 的电压波动幅值极小，转换控制指令的精度高；
[0058] (4)本转换系统由于结合了CPU，且从原理上引入了反馈支路，易于实现 过压保护、欠压保护、过流保护等重要功能。
附图说明
[0059] 图1为本发明多通道转换系统的一种具体实施方式的原理示意图，即基于四 通道的原理示意图。
[0060] 图1-1为典型PWM波形图。
[0061] 图2为本发明多通道转换系统的控制器单元和电平转换单元的电路示意图。
[0062] 图3为说明本发明多通道转换系统的隔离变换单元的电路示意图。
[0063] 图4为说明本发明多通道转换系统的低通滤波单元的电路示意图。
[0064] 图5为说明本发明多通道转换系统的4-20mA电压/电流转换单元的电路示 意图。
[0065] 图6为本发明多通道转换系统的产生PMW波的基本
流程图。
[0066] 图7为本发明多通道转换系统的另外一种具体实施方式的原理示意图，即基 于八通道的原理示意图。
[0067] 其中，1—控制器单元、2—电平转换单元、3—隔离变换单元、4—低通滤波 单元、5—4-20mA电压/电流转换单元、6—电流信号传输线缆、7—负载接口单 元、4-1—第一低通滤波电路、4-2—第二低通滤波电路、4-3—第三低通滤波电路、 4-4—第四低通滤波电路、
4-1-1—第一滤波器组件、4-1-2—第二滤波器组件、4-1-3 —第三滤波器组件、4-1-4—第四滤波器组件、5-1—第一4-20mA电压/电流转换 电路、5-2—第二4-20mA电压/电流转换电路、5-3—第三4-20mA电压/电流转换 电路、5-4—第四4-20mA电压/电流转换电路。
具体实施方式
[0068] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是， 对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此 外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构 成冲突就可以相互组合。
[0069] 如图1所示，多通道转换系统的一种具体实施方式的原理示意图。本发明多 通道转换系统包括控制器单元(1)、电平转换单元(2)、隔离变换单元(3)、低 通滤波单元(4)、4-20mA电压/电流转换单元(5)、电流信号传输线缆(6)和 负载接口单元(7)共计七个组成部分。
[0070] 如图1所示，控制器单元(1)利用ARM(当然也可以采取其它如DSP、FPGA 以及其它单片机等)充当CPU，借助它的TIMX的多通道PWM波形，产生所 需某频率、占空比可控的四通道PWM波电压信号。将所得到四通道PWM波 电压信号经由电平转换单元(2)处理，得到适合后续处理的电平幅值之后，再 传送给隔离变换单元(3)，进行原方与副方电路之间的隔离变换处理，提高转换 系统的抗干扰能力，再将隔离变换得到的PWM波电压信号，传送给低通滤波 单元(4)，将PWM方波电压信号处理得到波动幅值极小的稳定的直流电压信 号，并进一步送入4-20mA电压/电流转换单元(5)，转换成与其输入电压幅值 成正比的4-20mA电流信号，再经由电流信号传输线缆(6)，将四个通道的4-20mA 电流信号传输给负载接口单元(7)中的终端电阻RL1～RL4，从而执行四通道 4-20mA电流信号到四通道电压信号的转换功能，以便执行后续既定操作。
[0071] 如图1所示，控制器单元(1)采用STM32F417充当CPU，利用它的定时 器TIM5中的四个通道，即TIM5_CH1、TIM5_CH2、TIM5_CH3和TIM5_CH4 产生四通道周期固定、而占空比可调的PWM波。TIM5_CH1对应着控制器单元 (1)的芯片A1的第34脚，TIM5_CH2对应着芯片A1的第35脚，TIM5_CH3 对应着芯片A1的第36脚，TIM5_CH4对应着芯片A1的第37脚。芯片A1的第 34脚与电平转换单元(2)的芯片A2的第2脚相连，芯片A2的第2脚与接线端 子T1相连。芯片A1的第35脚与芯片A2的第3脚相连，芯片A2的第3脚与接 线端子T2相连。芯片A1的第36脚与芯片A2的第4脚相连，芯片A2的第4脚 与接线端子T3相连。芯片A1的第37脚与芯片A2的第5脚相连，芯片A2的第5 脚与接线端子T4相连。
[0072] 如图2所示，控制器单元(1)中芯片A1的第105脚、第109脚、第110脚、 第133脚和第25脚接编程接口J1，芯片A1的第138脚接电阻RA1的一端，电阻 RA1的另一端接地线GND1，芯片A1的第6脚接电源UDD，芯片A1的第6脚接 电容CA1的一端，电容CA1的另一端接地线GND1。芯片A1的第33脚接电感LA1的一端，电感LA1的另一端接电源US1+。芯片A1的第33脚同时接电容CA3的正 极和电容CA2的一端，电容CA3的负极和电容CA2的另一端同时接地线GND1。 芯片A1的第31脚接地线GND1，芯片A1的第121脚接电源US1+，该引脚同时 接电容CA4的一端，电容CA4的另一端接地线GND1。芯片A1的第23脚接电容 CA5的一端，电容CA5的另一端接地线GND1。晶振Y1的外壳接地线GND1，晶 振Y1的一端接芯片A1的第23脚，晶振Y1的另一端接电阻RA2的一端，电阻 RA2的另一端同时接电容CA6的一端，电容CA6的另一端接地线GND1。芯片A1的第106脚接电容CA7的一端，电容CA7的另一端接地线GND1。芯片A1的第 71脚接电容CA8的一端，电容CA8的另一端接地线GND1。芯片A1的第143脚 接电容CA9的一端，电容CA9的另一端接地线GND1。芯片A1的第143脚接电 感LA2的一端，电感LA2的另一端同时接电源US1+和电容CA10的一端，电容CA10的另一端接地线GND1。芯片A1的第8脚接电容CA11的一端，电容CA11的另一 端接地线GND1。晶振Y2的一端接芯片A1的第8脚，晶振Y2的另一端接芯片 A1的第9脚。芯片A1的第9脚接电容CA12的一端，电容CA12的另一端接地线 GND1。芯片A1的第120脚接地线GND1。
[0073] 如图2所示，控制器单元(1)采用STM32F417充当CPU，利用它的定时 器TIM5中的四个通道，即TIM5_CH1、TIM5_CH2、TIM5_CH3和TIM5_CH4 产生四通道周期固定、占空比可调的PWM波。其中，TIM5_CH1～TIM5_CH4 分别对应着芯片A1的第34脚～第37脚。如前面所述，芯片A1的第34脚与电平 转换单元(2)的芯片A2的第2脚相连，芯片A2的第2脚与接线端子T1相连。 芯片A1的第35脚与芯片A2的第3脚相连，芯片A2的第3脚与接线端子T2相 连。芯片A1的第36脚与芯片A2的第4脚相连，芯片A2的第4脚与接线端子 T3相连。芯片A1的第37脚与芯片A2的第5脚相连，芯片A2的第5脚与接线端 子T4相连。
[0074] 如图2所示，电平转换单元(2)的芯片A2的第1脚接电源US1+，芯片A2的第2脚与接线端子T1相连，芯片A2的第3脚与接线端子T2相连，芯片A2的 第4脚与接线端子T3相连，芯片A2的第5脚与接线端子T4相连，芯片A2的第 7脚与地线GND1相连，芯片A2的第8脚与隔离变换单元(3)的接线端子T8相连，芯片A2的第10脚与隔离变换单元(3)的接线端子T7相连，芯片A2的 第11脚与隔离变换单元(3)的接线端子T6相连，芯片A2的第12脚与隔离变 换单元(3)的接线端子T5相连。芯片A2的第13脚接电源US2+，该引脚同时与 电容CA14的一端相连，电容CA14的另一端接地线GND1，芯片A2的第14脚和 第1脚相连，芯片A2的第14脚接电容CA13的一端，电容CA13的另一端接地线GND1。
[0075] 如图2所示，控制器单元(1)产生的四通道PWM波信号经由接线端子T1～T4传送到电平转换单元(2)。电平转换单元(2)处理后的四通道PWM波信号经 由接线端子T5～T8传送到隔离变换单元(3)。
[0076] 如图3所示，本发明多通道转换系统的隔离变换单元(3)的电路示意图， 经由接线端子T5～T8，接收来自隔离变换单元(3)输出的四通道PWM波信号。 芯片A3的第1脚和第7脚同时连接电容C1的一端，且电容C1的该端同时连接 电源US2+，电容C1的另一端和芯片A3的第2脚相连，芯片A3的第2脚与地线 GND1相连，隔离变换单元(3)的芯片A3的第3脚与接线端子T5相连，芯片 A3的第4脚与接线端子T6相连，芯片A3的第5脚与接线端子T7相连，芯片A3的第6脚与接线端子T8相连，芯片A3的第7脚与芯片A3的第1脚相连，芯片 A3的第8脚连接地线GND1。芯片A3的第9脚与地线GND2相连，芯片A3的 第10脚和芯片A3的第16脚同时接电容C2的一端，电容C2的另一端与芯片A3的第15脚相连，芯片A3的第11脚与低通滤波单元(4)的接线端子T15相连， 芯片A3的第12脚与低通滤波单元(4)的接线端子T13相连，芯片A3的第13 脚与低通滤波单元(4)的接线端子T11相连，芯片A3的第14脚与低通滤波单 元(4)的接线端子T9相连，芯片A3的第15脚与地线GND2相连，芯片A3的 第16脚与芯片A4的第1脚相连。芯片A3的第9脚分出4根接线端子T10、T12、 T14和T16，因此，4根接线端子T10、T12、T14和T16同时与地线GND2相连。
[0077] 如图3所示，芯片A4的第1脚与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与 GND2相连，芯片A4的第2脚和第6脚同时与电源US3+相连，芯片A4的第4脚 与地线GND2相连，电容C3的一端同时与芯片A4的第2脚和第6脚相连，电容 C3的另一端和地线GND2相连。
[0078] 如图3所示，经由接线端子T9～T16，将隔离变换单元(3)获得的PWM方 波信号，可靠传输到低通滤波单元(4)中。
[0079] 如图4所示，本发明多通道转换系统的低通滤波单元(4)的电路示意图。 低通滤波单元(4)，经由接线端子T9～T16，接收来自隔离变换单元(3)输出的 PWM波信号。低通滤波单元(4)由低通滤波电路(4-1)、低通滤波电路(4-2)、 低通滤波电路(4-3)和低通滤波电路(4-4)组成。其中，低通滤波电路(4-1) 由滤波器组件(4-1-1)、滤波器组件(4-1-2)、滤波器组件(4-1-3)和滤波器组 件(4-1-4)组成。
[0080] 如图4所示，在低通滤波电路(4-1)中，滤波器组件(4-1-1)经由接线端 子T9和T10获取隔离变换单元(3)传输的方波电压信号。接线端子T9接电阻 R1的一端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端与电容C5的一端，电阻R2的另一端与芯片A5A的第3脚相连，电容C5的另一端与芯片A5A的第1脚相连。 芯片A5A的第3脚和电容C4的一端相连，电容C4的另一端和地线GND2相连。 芯片A5A的第2脚同时连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端 和地线GND2相连，电阻R4的另一端和芯片A5A的第1脚相连。芯片A5A的第 4脚接直流电源US4-，芯片A5A的第8脚接直流电源US4+。电容CS1的一端与芯 片A5A的第4脚相连，电容CS1的另一端和地线GND2相连。电容CS2的一端与 芯片A5A的第8脚相连，电容CS2的另一端和地线GND2相连。接线端子T10与 GND2相连。
[0081] 如图4所示，在低通滤波电路(4-1)中，滤波器组件(4-1-2)中的电阻R5的一端与A5A的第1脚相连，电阻R5的另一端同时与电阻R6的一端和电容C7的一端相连，电容C7的另一端与芯片A5B的第7脚相连，电阻R6的另一端与芯 片A5B的第5脚相连。电容C6的一端与芯片A5B的第5脚相连，电容C6的另一 端和地线GND2相连。电阻R7的一端与A5B的第6脚相连，电阻R7的另一端和 地线GND2相连。电阻R8的一端与A5B的第6脚相连，电阻R7的另一端和A5B的第7脚相连。
[0082] 如图4所示，在低通滤波电路(4-1)中，滤波器组件(4-1-3)中的电阻R9的一端与A5B的第7脚相连，电阻R9的另一端同时连接电阻R10的一端与电容 C9的一端，电阻R10的另一端与芯片A6A的第3脚相连，电容C9的另一端与芯 片A6A的第1脚相连。芯片A6A的第3脚和电容C8的一端相连，电容C8的另一 端和地线GND2相连。芯片A6A的第2脚和芯片A6A的第1脚相连。芯片A6A的第4脚接直流电源US4-，芯片A6A的第8脚接直流电源US4+。电容CS3的一端 与芯片A6A的第4脚相连，电容CS3的另一端和地线GND2相连。电容CS4的一 端与芯片A6A的第8脚相连，电容CS4的另一端和地线GND2相连。
[0083] 如图4所示，在低通滤波电路(4-1)中，滤波器组件(4-1-4)中的电阻R11的一端与A6A的第1脚相连，电阻R11的另一端同时与电阻R12的一端和电容C11的一端相连，电容C11的另一端与芯片A6B的第7脚相连，电阻R12的另一端与 芯片A6B的第5脚相连。电容C10的一端与芯片A6B的第5脚相连，电容C10的 另一端和地线GND2相连。芯片A6B的第6脚和芯片A6B的第7脚相连。芯片 A6B的第7脚与4-20mA电压/电流转换单元(5)的接线端子T17相连。滤波器组 件(4-1-4)中的地线GND2与4-20mA电压/电流转换单元(5)的接线端子T18相连，即经由接线端子T17和T18，将低通滤波电路(4-1)处理得到的直流电压 信号，传送到4-20mA电压/电流转换单元(5)。
[0084] 如图4所示，在低通滤波电路(4-2)中，经由接线端子T11和T12接收隔离 变换单元(3)的信号，并传送到四个滤波器组件，将PWM方波电压信号处理 得到纹波极小的直流电压信号，再经由接线端子T19和T20，将低通滤波电路(4-2) 处理得到的直流电压信号，传送到4-20mA电压/电流转换单元(5)。
[0085] 如图4所示，在低通滤波电路(4-3)中，经由接线端子T13和T14接收隔离 变换单元(3)的信号，并传送到四个滤波器组件，将PWM方波电压信号处理 得到纹波极小的直流电压信号，再经由接线端子T21和T22，将低通滤波电路(4-3) 处理得到的直流电压信号，传送到4-20mA电压/电流转换单元(5)。
[0086] 如图4所示，在低通滤波电路(4-4)中，经由接线端子T15和T16接收隔离 变换单元(3)的信号，并传送到四个滤波器组件，将PWM方波电压信号处理 得到纹波极小的直流电压信号，再经由接线端子T23和T24，将低通滤波电路(4-4) 处理得到的直流电压信号，传送到4-20mA电压/电流转换单元(5)。
[0087] 如图4所示，经由接线端子T17～T24，PWM方波电压信号被低通滤波单元(4) 处理后得到的直流电压信号，再传输给4-20mA电压/电流转换单元(5)。
[0088] 如图5所示，本发明多通道转换系统的4-20mA电压/电流转换单元(5)的 电路示意图。经由接线端子T17～T24，4-20mA电压/电流转换单元(5)接收来自 低通滤波单元(4)处理后得到的直流电压信号。4-20mA电压/电流转换单元(5)， 由4-20mA电压/电流转换电路(5-1)、4-20mA电压/电流转换电路(5-2)、4-20mA 电压/电流转换电路(5-3)和4-20mA电压/电流转换电路(5-4)组成。
[0089] 如图5所示，在4-20mA电压/电流转换单元(5)中，4-20mA电压/电流转 换电路(5-1)经由接线端子T17和T18接收低通滤波单元(4-1)处理后得到的直 流电压信号。电阻R14的一端与接线端子T17相连，电阻R14的另一端接芯片A7的第3脚。芯片A7的第4脚接电阻R16的一端，电阻R16的另一端与地线GND2 相连。芯片A7的第5脚接电阻R13的一端，电阻R13的另一端与地线GND2相 连。芯片A7的第6脚接电阻R17的一端，电阻R17的另一端与地线GND2相连。 芯片A7的第7脚接地线GND2。芯片A7的第8脚与电容C13的一端连接，电容 C13的另一端和芯片A7的第4脚相连。芯片A7的第9脚接电阻RG1的一端，电 阻RG1的另一端与芯片A7的第10脚相连。
芯片A7的第11脚和直流电源US5-相 连。芯片A7的第11脚与芯片A7的第8脚相连。芯片A7的第
15脚和直流电源 US5+相连。电容C12的一端与芯片A7的第15脚相连，电容C12的另一端和地线 GND2相连。电容C14的一端与芯片A7的第11脚相连，电容C14的另一端和地 线GND2相连。电阻R15的一端接芯片A7的第4脚，电阻R15的另一端与参考 电压VREF1的正极相连，VREF1的负极与地线GND2相连。接线端子T25与芯片 A7的第8脚相连，接线端子T26与芯片A7的第7脚相连。接线端子T25经由电流 信号传输线缆(6)与接线端子T33相连，接线端子T26经由电流信号传输线缆(6) 与接线端子T34相连。负载接口单元(7)中的终端电阻RL1的一端与接线端子 T33相连，终端电阻RL1的另一端与接线端子T34相连。通过电流信号传输线缆(6)， 经由接线端子T33和T34，将4-20mA电压/电流转换电路(5-1)处理得到的4-20mA 电流信号，传送给负载接口单元(7)中的终端电阻RL1。
[0090] 如图5所示，在4-20mA电压/电流转换单元(5)中，4-20mA电压/电流转 换电路(5-2)经由接线端子T19和T20接收低通滤波单元(4-2)处理后得到的直 流电压信号。将经过4-
20mA电压/电流转换电路(5-2)得到的电流信号经由接 线端子T27和T28传输给电流信号传输线缆(6)，然后经由接线端子T35和T36， 将4-20mA电压/电流转换电路(5-2)处理得到的4-
20mA电流信号，传送给负 载接口单元(7)中的终端电阻RL2。
[0091] 如图5所示，在4-20mA电压/电流转换单元(5)中，4-20mA电压/电流转 换电路(5-3)经由接线端子T21和T22接收低通滤波单元(4-3)处理后得到的直 流电压信号。将经过4-
20mA电压/电流转换电路(5-3)得到的电流信号经由接 线端子T29和T30传输给电流信号传输线缆(6)，然后经由接线端子T37和T38， 将4-20mA电压/电流转换电路(5-3)处理得到的4-
20mA电流信号，传送给负 载接口单元(7)中的终端电阻RL3。
[0092] 如图5所示，在4-20mA电压/电流转换单元(5)中，4-20mA电压/电流转 换电路(5-4)经由接线端子T23和T24接收低通滤波单元(4-4)处理后得到的直 流电压信号。将经过4-
20mA电压/电流转换电路(5-4)得到的电流信号经由接 线端子T31和T32传输给电流信号传输线缆(6)，然后经由接线端子T39和T40， 将4-20mA电压/电流转换电路(5-4)处理得到的4-
20mA电流信号，传送给负 载接口单元(7)中的终端电阻RL4。
[0093] 如图5所示，在4-20mA电压/电流转换单元(5)中，经由接线端子T25～T32与传输线缆(6)相连，传输线缆(6)经由接线端子T33～T40与负载接口单元(7) 相接。
[0094] 如图6所示，本发明多通道转换系统的产生PMW波的基本流程图。PWM 驱动程序包括了系统调用、频率设置、占空比设置、屏蔽PWM输出和PWM输 出5个部分。现将它们简述为：1)系统调用，是用于实现PWM输出；2)频率 设置，可以
修改PWM波形频率；3)占空比设置，可以修改PWM波形占空比； 4)屏蔽PWM输出，可以有效禁用PWM波输出。
[0095] 因此，应用程序经过系统调用实现PWM波输出，并通过设置占空比、频率、 输出屏蔽，有效控制PWM输出。
[0096] 如图7所示，本发明多通道转换系统的另外一种具体实施方式的原理示意 图，即基于八通道的原理示意图。与图1所述相同，本发明多通道转换系统包括 控制器单元(1)、电平转换单元(2)、隔离变换单元(3)、低通滤波单元(4)、 4-20mA电压/电流转换单元(5)、电流信号传输线缆(6)和负载接口单元(7) 共计七个组成部分。
[0097] 如图7所示，控制器单元(1)利用ARM(当然也可以采取其它如DSP、FPGA 以及其它单片机等)充当CPU，借助它的TIMX的多通道PWM波形，产生所 需频率的八通道PWM波电压信号。将所得到的八通道PWM波电压信号经由 电平转换单元(2)处理得到适合后续处理的电平幅值之后，再传送给隔离变换 单元(3)，进行原方与副方电路之间的隔离变换处理，以提高转换系统的抗干扰 能力，再将隔离变换得到的PWM波电压信号，经过低通滤波单元(4)处理得 到纹波极小的直流电压信号，并送入4-20mA电压/电流转换单元(5)，转换成 与所获得的输入电压的幅值成正比的4-20mA电流信号，再经由电流信号传输线 缆(6)，将八通道4-20mA电流信号传输给负载接口单元(7)中的终端电阻 RL1～RL8，从而执行八通道4-20mA电流信号到八通道电压信号的转换功能，以 便执行后续既定操作。
[0098] 如图7所示，控制器单元(1)采用STM32F417充当CPU，利用它的定时 器TIM2中的四个通道(即TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_CH3和TIM2_CH4) 和TIM5中的四个通道(即TIM5_CH1、TIM5_CH2、TIM5_CH3和TIM5_CH4)， 产生八通道周期固定、占空比可调的PWM波。
[0099] 如图7所示，TIM2_CH1对应着控制器单元(1)的芯片A1的第110脚， TIM2_CH2对应着芯片A1的第133脚，TIM2_CH3对应着芯片A1的第69脚， TIM2_CH4对应着芯片A1的第70脚。TIM5_CH1对应着芯片A1的第34脚， TIM5_CH2对应着芯片A1的第35脚，TIM5_CH3对应着芯片A1的第36脚， TIM5_CH4对应着芯片A1的第37脚。
[0100] 如图7所示，控制器单元(1)的芯片A1的第110脚与电平转换单元(2) 的芯片A2的第21脚相连，芯片A2的第21脚与接线端子T1相连。芯片A1的第 133脚与芯片A2的第20脚相连，芯片A2的第20脚与接线端子T2相连。芯片 A1的第69脚与芯片A2的第19脚相连，芯片A2的第19脚与接线端子T3相连。 芯片A1的第70脚与芯片A2的第18脚相连，芯片A2的第18脚与接线端子T4相连。
[0101] 如图7所示，控制器单元(1)的芯片A1的第34脚与电平转换单元(2)的 芯片A2的第17脚相连，芯片A2的第17脚与接线端子T5相连。芯片A1的第35 脚与芯片A2的第16脚相连，芯片A2的第16脚与接线端子T6相连。芯片A1的 第36脚与芯片A2的第15脚相连，芯片A2的第15脚与接线端子T7相连。芯片 A1的第37脚与芯片A2的第14脚相连，芯片A2的第14脚与接线端子T8相连。
[0102] 如图7所示，电平转换单元(2)的芯片A2的第3脚与隔离变换单元(3) 的接线端子T9相连。芯片A2的第4脚与隔离变换单元(3)的接线端子T10相连。 芯片A2的第5脚与隔离变换单元(3)的接线端子T11相连。芯片A2的第6脚与 隔离变换单元(3)的接线端子T12相连。芯片A2的第7脚与隔离变换单元(3) 的接线端子T13相连。芯片A2的第8脚与隔离变换单元(3)的接线端子T14相 连。芯片A2的第9脚与隔离变换单元(3)的接线端子T15相连。芯片A2的第10脚与隔离变换单元(3)的接线端子T16相连。芯片A2的第12脚于接至地线 GND1，芯片A2的第13脚接至地线GND1，芯片A2的第24脚接电源US1+，芯 片A2的第1脚接电源US2+。
[0103] 如图7所示，经由接线端子T1～T8，将控制器单元(1)产生的八通道PWM 波信号传送到电平转换单元(2)。经由接线端子T9～T16，将电平转换单元(2) 处理获得的适宜于后续处理的电平幅值的八通道PWM波信号，再传送到隔离变 换单元(3)。
[0104] 如图7所示，隔离变换单元(3)由隔离变换电路(3-1)和隔离变换电路(3-2) 两个部分组成。隔离变换电路(3-1)处理前四通道PWM波信号，隔离变换电 路(3-2)处理后四通道PWM波信号。经由接线端子T9～T12，将电平转换单元 (2)处理后的前四通道PWM波信号，传送到隔离变换单元(3-1)；经由接线 端子T13～T16，将电平转换单元(2)处理后的后四通道PWM波信号，传送到隔 离变换单元(3-2)。
[0105] 如图7所示，低通滤波单元(4)由低通滤波电路(4-1)和低通滤波电路(4-2) 两个部分组成。低通滤波电路(4-1)处理前四通道PWM波信号，将PWM方 波电压信号变换得到第一～第四通道的稳定、波动幅值极小的直流信号；低通滤 波电路(4-2)处理后四通道PWM波信号，将PWM方波电压信号变换得到第 五～第八通道直流信号。通过接线端子T17～T24，将隔离变换单元(3-1)处理变 换后的前四通道PWM波信号，传送到低通滤波电路(4-1)中；通过接线端子 T25～T32，将隔离变换单元(3-2)处理变换后的后四通道PWM波信号，传送到 低通滤波电路(4-2)中。
[0106] 如图7所示，4-20mA电压/电流转换单元(5)由4-20mA电压/电流转换电 路(5-1)和4-20mA电压/电流转换电路(5-2)组成。4-20mA电压/电流转换电 路(5-1)处理第一～第四通道直流信号，4-20mA电压/电流转换电路(5-2)处理 第五～第八通道直流信号。经由接线端子T33～T40，将低通滤波电路(4-1)处理 得到的前四通道直流信号，传送到4-20mA电压/电流转换电路(5-1)；接线端子 T41～T48，将低通滤波电路(4-2)处理得到的后四通道直流信号，传送到4-20mA 电压/电流转换电路(5-2)。
[0107] 如图7所示，在4-20mA电压/电流转换单元(5)中，4-20mA电压/电流转 换电路(5-1)，经由接线端子T49～T56，获得与输入电压幅值成正比的4-20mA电 流信号，通过电流信号传输线缆(6)，借助接线端子T65～T72，传送给负载接口 单元(7)中的终端电阻RL1～RL4，从而执行前四通道4-20mA电流信号到前四 通道电压信号的转换功能，以便执行后续既定操作。
[0108] 如图7所示，在4-20mA电压/电流转换单元(5)中，4-20mA电压/电流转 换电路(5-2)，经由接线端子T57～T64，获得与输入电压幅值成正比的4-20mA电 流信号，通过电流信号传输线缆(6)，借助接线端子T73～T80，传送给负载接口 单元(7)中的终端电阻RL5～RL8，从而执行后四通道4-20mA电流信号到后四 通道电压信号的转换功能，以便执行后续既定操作。
[0109] 如图1、图2和图7所示的控制器单元(1)中的芯片A1，选择的是STM32F417 系列的TMARM芯片，是ST(意法
半导体)推出的以基于 Cortex -M4为
内核的其采用了90纳米的NVM工艺和ART(自适应实时
存储器加速器， Adaptive Real-Time Memory AcceleratorTM)的高性能
微控制器，可达到168MHz。 由于它集成了新的DSP和FPU指令，
168MHz的高速性能使得
数字信号控制器 应用，快速的产品开发达到了新的
水平，且能提升控制
算法的执行速度和代码效 率。
[0110] 如图1所示的编程接口J1，作为ARM的JTAG((Joint Test Action Group： 联合测试行动小组，是一种国际标准测试协议)编程器连接件。标准的JTAG接 口是4线：测试时钟输入线(TCK)、测试模式选择输入线(TMS)、测试数据输 入线(TDI)、测试数据输出线(TDO)。测试复位输入线(RESET)为可选项。 JTAG编程器连接件，可以选择IDC10接
插件，将控制器单元(1)中的芯片A1 (ARM芯片)与外置编程器连接起来，完成芯片A1的内部测试及对转换系统 进行仿真、调试。
[0111] 如图1和图2所示的控制器单元(1)中的芯片A1，由于采用了STM32F417 系列的ARM芯片，它集成了多达7重AHB总线矩阵和多通道DMA控制器， 支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快。STM32F417系列的 ARM芯片具有定时器多达17个，其中有16位和32位两种定时器，可运行到 168MHz，本发明选择32位定时器，用于产生PWM波形。为提高分辨率，并且 采用DMA方式，本发明选择的是TIM5(32位定时器)的4个通道，即TIM5_CH1、TIM5_CH2、TIM5_CH3和TIM5_CH4，产生四通道PWM波形。
[0112] 如图1和图2所示的电平转换单元(2)中的芯片A2，用以完成四通道3.3V 和5V双向电平转换的芯片，可以选择NLSX4014(ON Semiconductor公司产品)， 也可以选择NLSX4378(ON Semiconductor公司产品)，当然，还可以选择 74LVC4245A(NXP Semiconductors公司产品，八通道)、SN74LVC4245A(TI 公司产品，八通道)、NLSX3018(ON Semiconductor公司产品)和 MAX3000E/MAX3001E/MAX3002/MAX3004–MAX3012(Maxim公司产品)。
[0113] 如图3所示的隔离变换单元(3)的芯片A3，是数字隔离芯片，用以完成4 路PWM波形的隔离变换处理，可以选择的型号很多，如ADuM1400、ADuM1410 等。隔离变换单元(3)的芯片A4，是稳压电源芯片，可以选择高精度、低压差 稳压器，如ADP3330、ADP7118和ADP7142等。
[0114] 如图4所示的低通滤波单元(4)的芯片A5和A6，本发明采用低噪声精密 运放，可以选择双路的低噪声精密运放，如TLC2202、LT1124、NE5532DR、 NE5532A、NJM2068V、TLE2142A、OP-270和OPA2111等。
[0115] 如图5所示的4-20mA电压/电流转换单元(5)的芯片A7，是4-20mA电流 环路发送器芯片，可以选择TI公司的XTR300，还可以选择TI公司的XTR115、 XTR116等相关芯片。
[0116] 如图7所示的控制器单元(1)中的芯片A1，如前所述，本发明选择的是 STM32F417系列的ARM芯片。为提高分辨率，并且采用DMA方式，本发明选 择的是TIM2(32位定时器)的4个通道(即TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_CH3 和TIM2_CH4)和TIM5(32位定时器)的4个通道(即TIM5_CH1、TIM5_CH2、 TIM5_CH3和TIM5_CH4)，产生八通道PWM波形。
[0117] 如图7所示的电平转换单元(2)中的芯片A2，隔离变换单元(3)的芯片 A3和A4，低通滤波单元(4)的芯片A5和A6，4-20mA电压/电流转换单元(5) 的芯片A7，它们的选择方法与如图1所示的相关芯片相同，因而，恕不一一介 绍。
[0118] 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附 图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都 落入本发明保护的范围。
