Module MIKROE-1296 : 4 - 20 mA T Click Board - Emetteur 4-20 mA

Convertir une valeur numérique en courant 4-20 mA pour piloter une ligne de mesure longue distance pour des applications de prototypage : c'est la fonction principale du 4-20mA T Click (MIKROE-1296). Trois circuits intégrés réunis sur un format mikroBUS assurent l'isolation galvanique, la conversion numérique-analogique 12 bits et la génération du courant de boucle. Le résultat : une interface industrielle complète, directement pilotée par SPI.

Vue d'ensemble des composants du module 4-20mA T Click MIKROE-1296 avec XTR116, MCP4921 et ADuM1411
(Infographie réalisée par IA)

Spécifications techniques

Le 4-20mA T Click réunit trois composants spécialisés. L'ADuM1411 d'Analog Devices est un isolateur numérique quad-canal à 10 Mbps : il isole galvaniquement le bus SPI de la carte hôte du circuit de sortie, protégeant le microcontrôleur des tensions présentes sur le câble industriel. Le MCP4921 de Microchip est un convertisseur numérique-analogique 12 bits (DAC 12 bits) à interface SPI, qui reçoit la valeur de consigne du microcontrôleur. L'XTR116 de Texas Instruments est le transmetteur de courant de boucle proprement dit : il convertit la tension de sortie du DAC en courant 4-20 mA proportionnel sur la ligne industrielle.

La liaison avec la carte hôte utilise les broches SPI (SDI, SCK, CS) du socket mikroBUS™. L'alimentation logique est sélectionnable entre 3,3 V et 5 V via un jumper SMD (J1, position 3,3V par défaut). L'alimentation de la boucle de courant (fournie par l'installation industrielle) est externe, entre 7,5 V et 36 V. Un bornier à vis sur la carte permet de raccorder facilement le câble de boucle. Une LED verte indique la présence de l'alimentation logique. Référence fabricant : MIKROE-1296.

Ce que le 4-20mA T Click apporte à vos projets

L'intégration du standard 4-20 mA dans un projet embarqué nécessite habituellement de concevoir son propre circuit : DAC, transmetteur de courant, isolation galvanique et protection contre les surtensions de ligne : autant de composants à sélectionner, interfacer et valider. Le 4-20mA T Click rassemble tout cela sur un format mikroBUS prêt à l'emploi.

L'isolation galvanique assurée par l'ADuM1411 est l'un des points clés : en environnement industriel, les différences de potentiel entre équipements peuvent atteindre plusieurs dizaines de volts. Sans isolation, ces perturbations remontent directement vers le microcontrôleur. Ici, les signaux SPI traversent une barrière isolée avant d'atteindre le DAC et le transmetteur. La carte hôte est protégée.

La résolution de 12 bits du MCP4921 donne 4096 niveaux de courant distincts entre 4 mA et 20 mA, soit une résolution d'environ 3,9 µA par niveau. Pour la plupart des applications de contrôle de procédé industriel, c'est largement suffisant. La sélection 3,3V/5V via jumper offre une flexibilité d'intégration sans rework matériel.

Un point à ne pas ignorer : l'alimentation de la boucle (7,5V à 36V) est externe et doit être fournie par le système cible. Le 4-20mA T Click ne génère pas lui-même l'énergie de la boucle. Dans une installation typique, c'est l'alimentation du système de contrôle-commande (automate, centrale d'acquisition) qui alimente la boucle.

Mise en œuvre pas à pas

La mise en place physique est directe : le module se clippe sur un socket mikroBUS™, et le bornier à vis CN2 permet de raccorder le câble de boucle de courant. Avant démarrage, vérifier la position du jumper J1 selon la tension logique de la carte hôte (3,3V ou 5V).

Le pilotage logiciel consiste à envoyer une valeur 12 bits au DAC MCP4921 via SPI. La bibliothèque MikroElektronika pour le 4-20mA T Click est disponible sur LibStock et le dépôt GitHub MikroElektronika, avec des exemples pour mikroC, mikroBASIC et mikroPASCAL. Elle expose une fonction simple de type set_output(value) qui transmet la valeur au DAC via SPI en gérant le protocole MCP4921.

Sur Arduino, la bibliothèque SPI standard prend en charge le MCP4921 directement. La séquence d'envoi est simple : sélectionner CS, envoyer les 2 octets de configuration (gain, power mode, valeur 12 bits), désélectionner CS. La conversion de la valeur souhaitée en courant suit la relation linéaire : 0 → 4 mA, 4095 → 20 mA. À noter : l'alimentation de boucle externe doit être présente pour que la sortie courant soit active.

4-20mA T Click en pratique pour vos projets de prototypage : exemples concrets

Télécommande de vanne pneumatique ou de variateur de vitesse

Dans les installations automatisées, les vannes de régulation et les variateurs de fréquence acceptent une commande en courant 4-20 mA. Le microcontrôleur calcule la consigne souhaitée (0-100% d'ouverture) et envoie la valeur DAC correspondante au 4-20mA T Click, qui pilote directement l'actionneur sans passer par un convertisseur supplémentaire.

Interface de transmission de capteur longue distance

Le courant est le mode de transmission privilégié sur les longues distances en industrie : contrairement à une tension, il ne se dégrade pas avec la résistance du câble. Un capteur de pression, de température ou de débit relié au microcontrôleur peut voir sa sortie transmise à 100 m ou plus via le module et un câble blindé standard.

Simulateur de capteur pour test de systèmes SCADA

Lors de la mise au point d'un système de supervision ou de l'intégration d'une centrale d'acquisition, il est utile de pouvoir simuler les sorties capteurs sans déployer l'installation complète. Le 4-20mA T Click pilotable par microcontrôleur génère n'importe quelle consigne de courant entre 4 et 20 mA, permettant de tester le comportement du SCADA sur l'ensemble de la plage.

Contrôle de débit ou de pression en régulation PID

Dans une boucle de régulation PID embarquée, le microcontrôleur reçoit une mesure (via un 4-20mA R Click ou un capteur analogique) et génère une commande proportionnelle vers un actionneur en courant. Le 4-20mA T Click est le maillon de sortie de cette chaîne, convertissant la sortie numérique du régulateur en commande courante industrielle.

Formation aux transmetteurs industriels

En BTS Électrotechnique, Maintenance Industrielle ou IUT GEII, le 4-20mA T Click illustre concrètement le standard de transmission courant le plus répandu en industrie de procédé. Il permet de manipuler tous les aspects du standard : résolution DAC, isolation galvanique, câblage deux fils, simulation de pannes (boucle ouverte = 0 mA, court-circuit).

Compatibilité et écosystème

Le 4-20mA T Click s'intègre dans tout socket mikroBUS™ normalisé : cartes de développement MikroElektronika (Clicker, EasyMx PRO, Fusion for ARM, Flip & Click) et toute carte tierce équipée d'un connecteur mikroBUS. La compatibilité est mécanique et électrique sans adaptation.

La bibliothèque officielle est disponible via NECTO Studio ou le dépôt GitHub MikroElektronika (4-20mA_T_click). Elle est compatible avec les compilateurs MikroElektronika : mikroC, mikroBASIC, mikroPASCAL, sur PIC, ARM, dsPIC, PIC32 et AVR. Pour Arduino et autres plateformes, la bibliothèque SPI standard est directement utilisable avec le MCP4921.

En combinaison avec le 4-20mA R Click (MIKROE-1387), le 4-20mA T Click forme une paire émetteur-récepteur complète pour simuler ou tester une boucle de courant industrielle en laboratoire.

Utilisation avec Arduino, Raspberry Pi, micro:bit et Teensy

Ce module fonctionne en 3,3 V ou 5 V. Le choix de la carte hôte dépend de la position du jumper J1 et de la compatibilité des niveaux logiques SPI. Vérifier la position du jumper avant toute connexion.

Un shield d'adaptation mikroBUS permet de connecter le 4-20mA T Click à des cartes sans socket mikroBUS natif. Avec un Arduino UNO ou Arduino Mega 2560 (5V logique), positionner le jumper J1 sur 5V et utiliser les broches SPI hardware (pins 11, 12, 13) de l'Arduino. La bibliothèque SPI Arduino est directement compatible avec le MCP4921.

Sur Raspberry Pi (3,3V logique), positionner J1 sur 3,3V. Le module SPI du GPIO Raspberry Pi pilote le MCP4921 via le framework spidev. Le Teensy 3.x/4.x (3,3V natif) et la micro:bit (3,3V) sont également compatibles en positionnant J1 sur 3,3V.

4-20mA T Click MIKROE-1296 utilisable avec Arduino, Raspberry Pi, Teensy et micro:bit via shield d'adaptation mikroBUS™ (vérifier le jumper J1 selon la tension logique de la carte)
(Infographie réalisée par IA)

Résumé des caractéristiques techniques

• Circuits principaux : ADuM1411 (Analog Devices), MCP4921 (Microchip), XTR116 (Texas Instruments)
• Interface hôte : SPI (SDI, SCK, CS via mikroBUS)
• Résolution DAC : 12 bits (MCP4921)
• Courant de sortie : 4 à 20 mA
• Alimentation logique : 3,3 V ou 5 V (jumper J1 sélectionnable)
• Alimentation boucle : 7,5 V à 36 V (externe, fournie par l'installation)
• Isolation galvanique : ADuM1411 (quad-canal, 10 Mbps)
• Connecteur boucle : Bornier à vis (CN2)
• LED : Indicateur d'alimentation logique (verte)
• Format : mikroBUS Add-on Board
• Référence fabricant : MIKROE-1296

Questions fréquentes sur le 4-20mA T Click

Quelle est la différence entre le 4-20mA T Click et le 4-20mA R Click ?

Le 4-20mA T Click (MIKROE-1296) est un transmetteur : il convertit une valeur numérique SPI en courant 4-20 mA sur la boucle. Le 4-20mA R Click (MIKROE-1387) est le récepteur : il convertit un courant 4-20 mA reçu sur la boucle en valeur numérique lisible par le microcontrôleur. Les deux modules forment une paire émetteur-récepteur complète pour simuler ou interfacer une boucle industrielle.

Faut-il une alimentation externe pour la boucle de courant ?

Oui. Le 4-20mA T Click ne génère pas l'énergie de la boucle. Une alimentation externe entre 7,5V et 36V doit être connectée au bornier CN2. Dans une installation industrielle, cette alimentation est typiquement fournie par le système de supervision ou l'instrument de mesure en tête de boucle.

Comment choisir entre la position 3,3V et 5V du jumper J1 ?

La position du jumper J1 doit correspondre à la tension logique de la carte hôte. Si le microcontrôleur fonctionne en 3,3V logique (Raspberry Pi, Teensy, micro:bit), positionner J1 sur 3,3V. Si la carte hôte fonctionne en 5V (Arduino UNO, Arduino Mega), utiliser la position 5V. Une incompatibilité de niveaux logiques peut entraîner des erreurs de communication ou endommager les composants.

Quelle est la résolution du courant de sortie ?

Le DAC MCP4921 offre 12 bits de résolution, soit 4096 niveaux distincts entre 4 mA et 20 mA. La résolution est d'environ 3,9 µA par LSB. Pour une valeur DAC de 0, le courant de boucle est 4 mA (courant de boucle minimal, signal "zéro") ; pour 4095, il est 20 mA (courant de boucle maximal).

L'ADuM1411 protège-t-il vraiment le microcontrôleur ?

Oui. L'ADuM1411 assure une isolation galvanique entre le bus SPI de la carte hôte et le circuit côté boucle de courant. En environnement industriel où les différences de potentiel entre équipements peuvent dépasser 100V, cette isolation empêche toute perturbation électrique de remonter vers le microcontrôleur via les broches SPI.

Peut-on utiliser ce module en dehors d'un environnement industriel ?

Oui. Le module est utile dans tout projet nécessitant une sortie courant linéaire et précise : banc de test, simulation d'instrument, commande de convertisseur de fréquence en laboratoire, ou encore apprentissage des standards industriels en formation. L'alimentation de boucle peut être une simple alimentation de laboratoire réglée entre 7,5V et 36V.

Notes d'applications Lextronic

Note d'application Click Board™ et Arduino™ (TOME 1)
Note d'application Click Board™ et Arduino™ (TOME 2)
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