hart协议如何实现模拟信号与数字信号的混合传输.docx

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hart协议如何实现模拟信号与数字信号的混合传输

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hart,协议,如何实现模拟信号与数字信号的混合传输

　　篇一：

haRt和4-20ma

　　仪表输出信号为什么选择4-20ma电流的原因

　　仪表输出信号为什么选择4-20ma电流的原因？

变送器的传统输出直流电信号有0-5V、0-10V、1-5V、0-20ma、4-20ma等，目前最广泛采用的是用4~20ma电流来传输模拟量。

工业上最广泛采用的是用4~20ma电流来传输模拟量。

采用电流信号的原因是不容易受干扰。

并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。

上限取20ma是因为防爆的要求：

20ma的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。

下限没有取0ma的原因是为了能检测断线：

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0。

常取2ma作为断线报警值。

电流型变送器将物理量转换成4~20ma电流输出，必然要有外电源为其供电。

最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。

当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用Vcc或者gnd），可节省一根线，称之为三线制变送器。

其实大家可能注意到，4-20ma电流本身就可以为变送器供电，如图1c所示。

变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20ma之间根据传感器输出而变化。

显示仪表只需要串在电路中即可。

这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。

工业电流环标准下限为4ma，因此只要在量程范围内，变送器至少有4ma供电。

这使得两线制传感器的设计成为可能。

在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。

两者之间距离可能数十至数百米。

按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！

因此在实际使用中两线制传感器得到越来越多的应用。

　　仪表输出信号为什么选择4-20ma电流的原因：

　　远传信号用电流源优于电压源的原因：

因为现场与控制室之间的距离较远，连接电线的电阻较大时，如果用电压源信号远传，由于电线电阻与接收仪表输入电阻的分压，将产生较大的误差，而用恒电流源信号作为远传，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。

　　信号最大电流选择20ma的原因：

最大电流20ma的选择是基于:

安全、实用、功耗、成本的考虑。

安全火花仪表只能采用低电压、低电流；综合考虑生产现场仪表之间的连接距离，所带负载等因素；还有就是功耗及成本问题，对电子元件的要求,供电功率的要求等因素。

　　信号起点电流选择4ma的原因：

4-20ma变送器两线制的居多，两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线。

为什么起点信号不是0ma这是基于两点:

1．变送器电路没有静态工作电流将无法工作，信号起点电流4ma.dc就是变送器的静态工作电流。

　　2．同时仪表电气零点为4ma.dc，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。

　　什么是4-20ma？

一般仪器仪表的信号电流都为4-20ma，指最小电流为4ma,最大电流为20ma。

传输信号时候，要考虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线的产生一定的压降，那接收端的信号就会产生一定的误差了！

所以使用电流信号作为变送器的标准传输！

双绞线特性阻抗是50欧姆左右，相隔1cm宽的0.2平方毫米的导线特性阻抗300欧姆左右，所以负载电阻选择50-300欧姆比较理想，为了ad转换方便，负载电阻上的信号最大量程值一般5-10V比较合适，那么权衡所有，负载电阻250欧姆，电流20ma，负载压降5V比较满意。

那么为什么选择4-20ma而不是0-20ma呢？

为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中盗窃4ma电流给传感器放大电路供电，这样4-20ma的标准就确定了。

　　4-20ma输出如何转换成1～5V模拟电压信号

　　发布时间：

20xx-4-510:

24:

41

　　4-20ma输出如何转换成1～5V模拟电压信号,我们先来说一说什么是两线制，它是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。

两线制与三线制（一根正电源线，两根信号线,其中一根共gnd）和四线制（两根正负电源线，两根信号线,其中一根gnd）相比，两线制的优点是：

1.不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；2.在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。

3.电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20ma两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；4.各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：

分散采集，集中控制....5、将4ma用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0ma状态）十分方便。

6,在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。

　　4-20ma输出如何转换成1～5V模拟电压信号:

两线制电流变送器的输出为4～20ma，通过250Ω的精密电阻转换成1～5V或2-10V的模拟电压信号.转换成数字信号有多种方法，如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。

系统的输入模块采用压频转换器件lm２31将模拟电压信号转换成频率信号，用光电耦合器件tl117进行模拟量与数字量的隔离。

同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立的电源，模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。

利用压频转换器件lm231也有一定的抗高频干扰的作用。

　　三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被两线制变送器所取代，从国外的行业动态及变送器心片供求量即可略知一斑，电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里，两者一般相距几十到几百米甚至更远。

设备现场的环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，雷电感应会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用

　　系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。

两线制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。

我们以dh4-20变送模块为核心设计了小型、价廉的穿孔型两线制电流变送器。

它具有低失调电压（＜30μV）、低电压漂移（＜0.7μV/c°）、超低非线性度（＜0.01%）的特点。

它把现场设备动力线的电流隔离转换成4～20ma的按线性比例变化的标准电流信号输出，然后通过一对双绞线送到监测系统的输入接口上，双绞线同时也将位于监测系统的24V工作电源送到电流变送器中。

测量信号和电源在双绞线上同时传送，既省去了昂贵的传输电缆，而且信号是以电流的形式传输，抗干扰能力得到极大的加强。

　　haRt（highwayaddressableRemotetransducer），可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。

　　haRt装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，haRt技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

haRt协议采用基于bell202标准的Fsk频移键控信号，在低频的4ma～20ma模拟信号上叠加幅度为0.5ma的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2mbps。

由于Fsk信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。

　　在haRt协议通信中，主要的变量和控制信息由4ma～20ma传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过haRt协议访问。

　　haRt通信采用的是半双工的通信方式。

haRt协议参考iso/osi（开放系统互连模型），采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。

　　第一层：

物理层。

规定了信号的传输方法、传输介质，为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰，haRt协议采用频移键控技术Fsk，即在4ma～20ma模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为1200bps，1200hz代表逻辑“0”，2200hz代表逻辑“1”，信号幅值0.5a，如图1所示。

　　通信介质的选择视传输距离长短而定。

通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可达到1500ｍ。

线路总阻抗应在230Ω～1100Ω。

　　第二层：

数据链路层。

规定了haRt帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。

haRt协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。

　　现场仪表要执行haRt指令，操作数必须合乎指定的大小。

每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停止位。

由于数据的有无和长短并不恒定，所以haRt数据的长度也是不一样的，最长的haRt数据包含25个字节。

　　第三层：

应用层。

为haRt命令集，用于实现haRt指令。

命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。

　　二、现场仪表haRt协议远程通信硬件设计

　　某现场仪表的haRt协议部分主要完成数字信号到模拟电流信号的转换，并实现对主要变量和测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息的访问。

图2是haRt协议通信模块结构设计框图。

　　haRt通信部分主要由d/a转换和bell202modem及其附属电路来实现。

其中，d/a变换作用是直接将数字信号转换成4ma～20ma电流输出，以输出主要的变量。

bell202modem及其附属电路的作用是对叠加在4ma～20ma环路上的信号进行带通滤波放大后，haRt通信单元如果检测到Fsk频移键控信号，则由bell202modem将1200hz的信号解调为“1”，2200hz信号解调为“0”的数字信号，通过串口通信交mcu，mcu接收命令帧，作相应的数据处理。

然后，mcu产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由modem调制成相应的1200hz和2200hz的Fsk频移键控信号，波形整形后，经ad421叠加在环路上发出。

　　d/a变换器采用ad421，它是美国adi公司推出的一种单片高性能数模转换器，由环路供电，16位数字信号以串行方式输入，可以将数字信号直接转换成4ma～20ma电流输出。

它提供了高精度、全集成、低功耗的解决方案，采用16引脚dip、tssop、soic封装，可实现低成本的远程智能工业控制。

ad421包括串行输入16位d/a（数字/电流）转换，除自身用电外，还提供可选择的（5V，3.3V或3V）稳压输出供变送器其他部分用电。

　　haRtmodem采用smar公司的ht20xx，是符合bell202标准的半双工调制解调器，实现haRt协议规定的数字通信的编码或译码。

该芯片专为haRt仪器设计，片内集成了符合bell202标准的调制器、解调器、时钟及定时电路、检测控制电路。

性价比较高，16脚dip和28脚plcc封装，在+5V供电时工作电流80μa。

ht20xx与微控制器交换数字信号，同ad421作模拟信号接口。

它一方面与mcu的异步串行通信口进行串行通信，一方面将输入的不归零的数字信号调制成Fsk信号，再经ad421叠加在4ma～20ma的回路上输出，或者将回路信号经带通滤波、放大整形后取出Fsk信号解调为数字信号，从而实现haRt通信。

　　对于haRtmodem所需要的输入时钟，采用7.3728mhz的晶振通过两个计数器74ls161进行两次4分频，得到16分频的时钟。

　　由于haRt数字通信的要求，有0.5ma的正弦波电流信号叠加在4ma电流上，因此整个硬件电路必须保证在3.5ma以下还能正常工作，因此实现系统的低功耗设计非常重要。

　　三、通信的软件设计

　　haRt通信程序也即为haRt协议数据链路层和应用层的软件实现，是整个现场仪表软件设计的关键。

　　在haRt通信过程中，主机（上位机）发送命令帧，现场仪表通过串行口中断接收到命令帧后，由mcu作相应的数据处理，产生应答帧，由mcu触发发送中断，发出应答帧，从而完成一次命令交换。

　　首先在上电或者看门狗复位后，主程序要对通信部分进行初始化，主要包括波特率设定、串口工作方式设定、清通信缓冲区、开中断等。

　　在初始化完成之后通讯部分就一直处在准备接收状态下，一旦上位机有命令发来，ht20xx的载波检测口ocd变为低电平，触发中断，启动接收，程序就进入接收部分。

然后完成主机命令的解释并根据命令去执行相应的操作，最后按一定的格式生成应答帧并送入通信缓冲区，启动发送，完成后关闭sci。

　　图5是串行接收请求帧、回复应答帧程序的流程图。

　　在发送应答帧之后，再次进入等待状态，等待下一条主机命令。

　　四、结语

　　实践证明，上述方法具有结构简单、工作可靠的特点，完全符合haRt协议，具有较好的通用性。

　　由于haRt众多不容置疑的优点，使得它成为全球应用最广的现场通信协议，已成为工业上实用的标准。

因此在今后很长一段时期内，haRt协议产品在国内仍然具有十分广阔的市场。

　　篇二：

haRt协议是什么

　　1.haRt是什么？

　　haRt（“可寻址远程传感器数据公路”）通信协议，是为工业过程测量和控制应用而设计。

我们将其称为混合协议是因为它将模拟量和数字量通信相融合。

它既支持4-20ma模拟信号的单变量通信，也可以将附加信息以数字信号的方式进行通信。

数字信息以低电平调制方式加载在标准的4-20ma电流回路上。

由于采用标准的可以从模拟信号中去除的过滤技术，数字信号并不会影响模拟量信号的读数。

能够传送上述叠加的数字信息是实现haRt的重要功能的基础。

　　2.haRt协议已经有很长一段时间了，它仍然是一种很好的选择？

　　haRt是工厂自动化领域中采用的一种通信协议。

虽然每种协议都有其各自的优点，但就综合性能而言，haRt是最佳的解决方案：

它可获取增值设备和数字方式的诊断信息，同时还可以与现有的4-20ma自动化结构体系相兼容。

　　3.haRt有哪些优势？

　　1.双向通信：

采用模拟量信号只能单传送信息，要么是从设备到主机（输入），要么是从主机到设备（输出）。

而采用haRt数字通信信号可以双向传送数字信息。

这突破了以往传统仪表只能从主机接收控制信号的方式——比如阀门控制，也可以向主机传递阀门中的信息状态。

同样，以往只能把过程变量发送给主机的变送器现在也可以接收诸如组态设置之类的信息。

　　2.新类型信息：

传统的模拟量和离散量设备只能以单过程变量方式通信——因而很难找到一种简便的方式判定发送的信息是否有效。

采用haRt，您不但可以获取过程变量，还可以获得其他类型的信息。

每个haRt设备中包括35-40个标准信息项。

比如：

　　①设备状态＆诊断报警②过程变量＆单位③回路电

　　流＆百分比范围④生产商＆设备标签，其他的信

　　息还包括：

主机以数字方式查询haRt设备，并告

　　知您设备的设置是否正确，运行是否正常。

该功

　　能可使您免除大多数的日常检验工作，并有助于

　　您在故障导致重大问题之前发现过程故障。

3.多

　　变量仪表：

数字通信模式下，一对电缆可以处理多个变量。

例如，一个变送器可以处理多个传感器的输入。

对于不能使用haRt数字量信息的主系统，来自多变量仪表的信息通常由tri-loop先进行处理，它将数字信息转换成多组4-20ma信号，再由单独的接线传送给主机。

4.不受制于供应商：

采用haRt时，您不会受制于某个特定的供应商或地方“标准”。

这是由于haRt技术并不属于某一家公司，也不受一个国家或标准实体单位的控制。

实际上，该技术由不受约束的非盈利性单位haRt通信基金会管理。

5.多渠道供应：

就过程加工工业而言，haRt是目前世界上最广泛采用的协议。

您可以从不同供应商那里获取近600种采用haRt技术的产品。

产品种类的齐全意味着haRt产品几乎能够满足所有过程应用场合的需要—并且您还可以从多个经销商产品中选择最适合的一款。

6.可互操作性：

完全可互操作性意味着无论是哪个供应商的haRt兼容产品和主系统都可以协同工作。

为与haRt设备实现兼容，一些主系统采用统一表示的指令。

更进一步的系统则采用设备描述以理解所有的haRt信息。

即使不能处理来自

　　haRt设备数字化信息的系统，也可以通过4-20ma模拟量信号实现控制的可互操作性。

　　篇三：

haRt和4-20ma

　　仪表输出信号为什么选择4-20ma电流的原因

　　仪表输出信号为什么选择4-20ma电流的原因？

变送器的传统输出直流电信号有0-5V、0-10V、1-5V、0-20ma、4-20ma等，目前最广泛采用的是用4~20ma电流来传输模拟量。

工业上最广泛采用的是用4~20ma电流来传输模拟量。

采用电流信号的原因是不容易受干扰。

并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。

上限取20ma是因为防爆的要求：

20ma的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。

下限没有取0ma的原因是为了能检测断线：

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0。

常取2ma作为断线报警值。

电流型变送器将物理量转换成4~20ma电流输出，必然要有外电源为其供电。

最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。

当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用Vcc或者gnd），可节省一根线，称之为三线制变送器。

其实大家可能注意到，4-20ma电流本身就可以为变送器供电，如图1c所示。

变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20ma之间根据传感器输出而变化。

显示仪表只需要串在电路中即可。

这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。

工业电流环标准下限为4ma，因此只要在量程范围内，变送器至少有4ma供电。

这使得两线制传感器的设计成为可能。

在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。

两者之间距离可能数十至数百米。

按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！

因此在实际使用中两线制传感器得到越来越多的应用。

　　仪表输出信号为什么选择4-20ma电流的原因：

　　远传信号用电流源优于电压源的原因：

因为现场与控制室之间的距离较远，连接电线的电阻较大时，如果用电压源信号远传，由于电线电阻与接收仪表输入电阻的分压，将产生较大的误差，而用恒电流源信号作为远传，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。

　　信号最大电流选择20ma的原因：

最大电流20ma的选择是基于:

安全、实用、功耗、成本的考虑。

安全火花仪表只能采用低电压、低电流；综合考虑生产现场仪表之间的连接距离，所带负载等因素；还有就是功耗及成本问题，对电子元件的要求,供电功率的要求等因素。

　　信号起点电流选择4ma的原因：

4-20ma变送器两线制的居多，两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线。

为什么起点信号不是0ma这是基于两点:

1．变送器电路没有静态工作电流将无法工作，信号起点电流4ma.dc就是变送器的静态工作电流。

　　2．同时仪表电气零点为4ma.dc，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。

　　什么是4-20ma？

一般仪器仪表的信号电流都为4-20ma，指最小电流为4ma,最大电流为20ma。

传输信号时候，要考虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线的产生一定的压降，那接收端的信号就会产生一定的误差了！

所以使用电流信号作为变送器的标准传输！

双绞线特性阻抗是50欧姆左右，相隔1cm宽的0.2平方毫米的导线特性阻抗300欧姆左右，所以负载电阻选择50-300欧姆比较理想，为了ad转换方便，负载电阻上的信号最大量程值一般5-10V比较合适，那么权衡所有，负载电阻250欧姆，电流20ma，负载压降5V比较满意。

那么为什么选择4-20ma而不是0-20ma呢？

为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中盗窃4ma电流给传感器放大电路供电，这样4-20ma的标准就确定了。

　　4-20ma输出如何转换成1～5V模拟电压信号

　　发布时间：

20xx-4-510:

24:

41

　　4-20ma输出如何转换成1～5V模拟电压信号,我们先来说一说什么是两线制，它是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。

两线制与三线制（一根正电源线，两根信号线,其中一根共gnd）和四线制（两根正负电源线，两根信号线,其中一根gnd）相比，

　　两线制的优点是：

　　1.不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；

　　2.在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。

　　3.电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20ma两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；

　　4.各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：

分散采集，集中控制....

　　5、将4ma用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0ma状态）十分方便。

　　6,在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。

4-20ma输出如何转换成1～5V模拟电压信号:

两线制电流变送器的输出为4～20ma，通过250Ω的精密电阻转换成1～5V或2-10V的模拟电压信号.转换成数字信号有多种方法，如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。

系统的输入模块采用压频转换器件lm２31将模拟电压信号转换成频率信号，用光电耦合器件tl117进行模拟量与数字量的隔离。

同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立的电源，模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。

利用压频转换器件lm231也有一定的抗高频干扰的作用。

　　三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被两线制变送器所取代，从国外的行业动态及变送器心片供求量即可略知一斑，电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里，两者一般相距几十到几百米甚至更远。

设备现场的环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，雷电感应会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。

　　两线制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。

我们以dh4-20变送模块为核心设计了小型、价廉的穿孔型两线制电流变送器。

它具有低失调电压（＜30μV）、低电压漂移（＜0.7μV/c°）、超低非线性度（＜0.01%）的特点。

它把现场设备动力线的电流隔离转换成4～20ma的按线性比例变化的标准