简单的环路工作

在电流环路中，传感器的输出电压首先按比例转换成电流，一般4ma表示传感器的零电平输出，20ma表示满量程输出。远端接收器将4-20ma电流又转换为电压，利用计算机或显示模块做进一步处理。

典型的4-20ma电流环电路包括四个部分：传感器/变送器、电压-电流转换器、环路电源和接收器/监视器。在环路供电的应用中，传感器驱动电压-电流转换器，其他三个部分串联连接，构成闭环回路(图1)。

智能型4-20ma变送器
传统上，4-20ma变送器包括一个安装在现场的器件，该器件感测物理参数并产生4-20ma标准范围内的比例电流。为适应工业需求，出现了称作“智能型变送器”的第二代4-20ma变送器，这种变送器采用微控制器(μc)和数据转换器调理远端信号。
智能型变送器可以对增益和失调进行校准，通过将传感器模拟信号数字化(如rtd传感器和热电偶)实现线性化处理，用驻留在μc内部的数学算法处理信号，再将数字信号转换回模拟信号，结果以标准电流的形式沿环路传输。

最新的第三代4-20ma变送器(图2)被认为是“增强型智能”变送器。它们增加了与4-20ma信号共享双绞线的数字通信功能。所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。

智能型变送器所使用的通信标准是hart协议，该协议基于bell 202电话通信标准，采用频移键控(fsk)方式。其数字信号1和0分别由1200hz和2200hz频率表示。这些频率的正弦波叠加在传感器的直流模拟信号上，同时提供模拟和数字通信(图3)。

因为fsk信号的平均值始终为零，4-20ma模拟信号在此过程中不受影响。数字状态每秒钟可以转换两到三次，而不会妨碍模拟信号。允许的最小环路阻抗为23。

4-20ma增强型智能变送器对μc的基本要求
要实现这种4-20ma电流环路应用，μc必须具备三种特定性能：
串行接口，连接用于数据采集的adc和用于设置环路电流的dac。
因为电流预算为4ma，所以要求低功耗。
乘法-累加单元(mac)，既完成输入信号的数字滤波，又同时编码和解码hart协议中的两种频率。
选择μc
maxq系列risc μc具备上述所有必需的功能(图4)。

模拟功能
maxq μc包含若干模拟功能。采用的时钟管理方案只对当前使用的模块提供时钟。例如，如果一条指令用到数据指针(dp)和算术逻辑单元(alu)，那么只给这两个模块提供时钟。这一技术降低了功耗和开关噪声。
低功耗
maxq μc具有先进的电源管理功能，通过动态地将μc处理速度与需要的性能水平相匹配，可使功耗降至最低。例如，工作量减少的情况下，功耗较低。要投入更多的处理能力时，μc就需要提高工作频率。
软件可选的时钟分频操作，允许灵活地选择1、2、4或8个振荡器周期作为一个系统时钟周期。通过软件实现这一功能，因此μc在不需要增加额外硬件成本的情况下即可进入低功耗状态。 还可为那些对功耗极其敏感的应用提供另外三种低功耗模式：

pmm1: 256分频电源管理模式
pmm2: 32khz电源管理模式(pmme = 1，其中pmme是系统时钟控制寄存器的第2位)
停止模式(stop = 1)
在pmm1模式下，一个系统时钟周期等于256个振荡器周期，μc降速工作，从而大大降低了功耗。在pmm2模式下，器件以32khz振荡器作为时钟源，工作速度更低。使能的中断源发生中断时，可选的时钟返回功能可使器件快速退出电源管理模式，并返回到更快的内部时钟频率上。这些使能的中断源可以是外部中断、uart和spi模块。所有这些功能使maxq μc的处理能力达到3mips/ma，性能远远超出最接近的其它处理器(图5)。

信号滤波处理
maxq μc内部的mac完成4-20ma应用所需的信号处理功能。模拟信号输入到adc，在数字域滤波采样流。用以下