Module récepteur MIKROE-1387 Click Board 4-20 mA Images
Ce module Click Board est un récepteur 4-20 mA intégrant un convertisseur DC/DC "TPS61041" associé à un convertisseur "ADC" 12 bits de type "MCP3201" ainsi qu'à un récepteur de boucle de courant 4 - 20 mA de type INA196.
Le Click 4-20 mA R (MIKROE-1387) est un module au format mikroBUS™ qui reçoit le signal d'une boucle de courant 4-20 mA : il convertit le courant du transmetteur en tension, le numérise sur 12 bits, puis transmet la valeur au microcontrôleur hôte par SPI. Un transmetteur industriel parle en milliampères, pas en volts, et récupérer sa mesure suppose une chaîne complète — conversion courant/tension, puis numérisation propre, sans que la longueur du câble ou la masse de l'installation ne viennent fausser le résultat. Cette carte s'en charge de bout en bout. Avec le Click 4-20 mA T, qui joue le rôle d'émetteur, elle forme une liaison complète.
Spécifications visuelles du Click 4-20 mA R et cheminement du signal de la boucle jusqu'au bus SPI
(Infographie réalisée par IA)
Trois circuits se partagent le travail. Le courant de boucle traverse un shunt de 4,99 Ω dont la chute de tension est amplifiée par l'INA196 de Texas Instruments, un moniteur de shunt qui accepte des tensions de mode commun de -16 V à +80 V, indépendamment de sa propre alimentation. Cette plage explique la tolérance du montage face aux boucles alimentées en 24 V, la configuration la plus répandue en instrumentation.
La tension issue de l'INA196 part ensuite vers un MCP3201, convertisseur analogique-numérique 12 bits à interface SPI de chez Microchip, épaulé par une référence de tension MAX6106. En clair : un courant d'entrée de 4 à 20 mA devient une tension de 0,4 à 2 V, puis une valeur numérique que le firmware exploite directement. Un convertisseur élévateur TPS61041 génère en interne la tension haute dont l'étage d'entrée a besoin ; il est validé par une ligne dédiée du connecteur mikroBUS.
Le raccordement de la boucle passe par un bornier à vis à deux points. La carte s'alimente en 3,3 V ou 5 V, au choix, via le cavalier CMS J1 soudé en position 3,3 V à la sortie d'usine. Une LED signale la présence de l'alimentation. Format mikroBUS Add-on Board de taille M, soit 42,9 × 25,4 mm. Référence fabricant : MIKROE-1387.
Sur le connecteur mikroBUS, seules les lignes CS, SCK et MISO servent au dialogue avec le convertisseur. Le MCP3201 se lit uniquement, sans registre à écrire, si bien que MOSI reste libre.
Une chaîne d'acquisition 4-20 mA prête à l'emploi, là où une réalisation maison réclame un shunt, un amplificateur d'instrumentation, une référence de tension et un convertisseur A/N, avec le routage et les erreurs de masse qui vont avec.
Le gain de temps saute aux yeux. L'intérêt principal se situe pourtant ailleurs : dans la qualité de la mesure. Le choix de l'INA196 n'a rien d'anodin. Son immunité aux tensions de mode commun élevées autorise une mesure côté haut de la boucle, sans référencer le shunt à la masse du microcontrôleur. C'est exactement ce que ne sait pas faire le montage improvisé autour d'une résistance de charge de 250 Ω lue par l'entrée analogique d'un Arduino.
Le MCP3201 apporte de son côté une résolution de 12 bits sur un convertisseur dédié, doté de sa propre référence de tension. Sur les cartes dont l'ADC interne se réfère à la tension d'alimentation, la différence de stabilité se voit immédiatement sur les relevés.
Reste deux limites à connaître avant de commander. Le module reçoit, il n'émet pas : générer une boucle 4-20 mA relève du Click 4-20 mA T. Et il traite une seule voie, ce qui impose autant de sockets mikroBUS que de boucles à surveiller.
Trois vérifications avant la première mesure : la position du cavalier J1 (3,3 V ou 5 V selon la carte hôte), la polarité des deux fils sur le bornier, et l'allumage de la LED d'alimentation une fois le module enfiché.
Côté logiciel, MikroElektronika fournit une bibliothèque mikroSDK qui prend en charge l'initialisation SPI, la lecture du MCP3201 et la conversion de la valeur brute 12 bits en milliampères. Les exemples pour compilateurs MikroElektronika (mikroC, mikroBasic, mikroPascal) sont publiés sur LibStock, projets prêts à compiler à l'appui.
Sur une plateforme tierce, écrire le pilote soi-même ne pose pas de difficulté sérieuse. Le MCP3201 se lit en une transaction SPI de deux octets dont on extrait les 12 bits utiles, puis la relation linéaire 4-20 mA ↔ 0,4-2 V donne le courant. Un étalonnage à deux points, avec un calibrateur de boucle ou un Click 4-20 mA T réglé sur des valeurs connues, resserre la précision. Cette étape mérite qu'on y consacre dix minutes : les tolérances du shunt et du gain de l'INA196 se cumulent.
Partout où un capteur industriel envoie sa mesure en courant, ce module en assure la lecture. Cinq situations où il trouve naturellement sa place.
Transmetteurs de pression, sondes de niveau immergées, capteurs de débit : le signal 4-20 mA y règne quasi sans partage. Le Click 4-20 mA R les rend lisibles depuis n'importe quel microcontrôleur, sans travail d'électronique analogique en amont. Une cuve à surveiller, une conduite à instrumenter, et la mesure remonte directement dans le firmware.
Sur un banc d'essai, le module sert de point d'entrée entre l'instrumentation en place et une carte de développement. Journaliser une grandeur physique, la tracer, déclencher une alarme sur seuil : tout cela devient accessible sans toucher au câblage 4-20 mA existant.
Associez-le à un module de communication (Ethernet, Wi-Fi, LoRa, GSM) sur un second socket mikroBUS et un capteur analogique ancien se transforme en source de données connectée. Un usage fréquent : remonter la mesure d'un instrument encore fiable vers un tableau de bord, plutôt que de le remplacer.
La boucle de courant figure au programme de nombreuses formations en instrumentation industrielle. Manipuler la chaîne complète, un Click 4-20 mA T qui émet face à un Click 4-20 mA R qui reçoit, rend tangibles la conversion courant/tension, l'effet du bruit et la linéarité de la mesure. Le bornier à vis encaisse sans broncher les branchements et débranchements répétés d'une séance de TP.
Sur une machine ancienne dont les capteurs fonctionnent encore, remplacer l'automate coûte cher. Intercaler un récepteur 4-20 mA et une carte de développement moderne revient nettement moins cher, et prolonge la vie de l'installation de plusieurs années.
Toute carte munie d'un socket mikroBUS™ accueille le Click 4-20 mA R sans adaptation : on l'enfiche, on vérifie la position du cavalier J1, et la liaison SPI est en place. Les cartes Clicker, EasyMx PRO, Fusion for ARM, Fusion for PIC et l'ensemble des platines de développement MikroElektronika relèvent de ce cas.
La double compatibilité 3,3 V et 5 V élargit le champ des cartes hôtes utilisables. Un microcontrôleur en 3,3 V n'appelle aucune translation de niveaux, le cavalier restant sur sa position d'origine. Pour un hôte en 5 V, un simple déplacement du cavalier suffit.
Le module appartient à la gamme des modules Click Board, qui partagent tous le même brochage à 16 points. Un projet démarré avec ce récepteur cohabitera donc sans refonte du câblage avec un afficheur, une horloge temps réel ou une liaison sans fil, sur une carte multi-sockets.
Le Click 4-20 mA R accepte le 3,3 V comme le 5 V, ce qui lève la principale contrainte au moment de choisir la carte hôte : aucun adaptateur de niveaux logiques à prévoir, quelle que soit la plateforme. Sur une carte dépourvue de socket mikroBUS, un shield d'adaptation reprend les 16 points du connecteur et les redirige vers le brochage de la carte.
Avec une carte Arduino UNO ou une Arduino Mega 2560, qui travaillent en 5 V, le cavalier J1 doit être déplacé en position 5 V ; le module se pilote ensuite depuis le bus SPI matériel. Sur une carte Teensy, la puissance de calcul disponible ouvre la voie à un échantillonnage rapide suivi d'un filtrage numérique de la mesure.
Le Raspberry Pi et la carte micro:bit fonctionnent en 3,3 V : le cavalier reste tel qu'il est livré, rien à modifier. Côté Raspberry Pi, une lecture en Python via la bibliothèque SPI standard suffit à récupérer la trame du convertisseur.
Click 4-20 mA R utilisable avec Arduino, Raspberry Pi, micro:bit et Teensy via un shield d'adaptation mikroBUS™
(Infographie réalisée par IA)
MikroElektronika publie plusieurs ressources logicielles pour ce module. Elles constituent le chemin le plus court vers une première mesure.
Le paquet mikroSDK réunit le pilote SPI, l'initialisation du MCP3201 et la fonction qui transforme la valeur numérique brute en courant de boucle. L'application de démonstration fournie tourne sur les principales cartes de développement du fabricant et affiche la mesure sur la liaison série.
Bibliothèque mikroSDK sur LibStock
La première version de la bibliothèque, publiée avec la carte, couvre mikroC, mikroBasic et mikroPascal pour les familles PIC, dsPIC, AVR et ARM. Utile pour reprendre un projet déjà bâti sur ces outils.
Projet 4-20mA R click sur LibStock
Le dépôt public de MikroElektronika contient le code du pilote, les en-têtes et l'exemple d'application. Une lecture recommandée pour porter le module sur une plateforme non prise en charge officiellement.
Elle transporte une mesure analogique sous forme d'intensité et non de tension. Le courant reste identique tout au long du câble, quelles que soient sa longueur et sa résistance : un capteur peut donc être installé à plusieurs centaines de mètres de l'électronique de lecture sans dégradation du signal. Le zéro décalé à 4 mA permet en plus de distinguer une mesure nulle d'une rupture de câble.
Non. Ce module est exclusivement un récepteur : il lit le courant qui circule dans la boucle et le restitue sous forme numérique. Pour générer un signal 4-20 mA depuis un microcontrôleur, il faut le module Click 4-20 mA T, bâti autour d'un XTR116. Les deux cartes réunies forment une chaîne d'émission-réception complète.
Le convertisseur MCP3201 travaille sur 12 bits, soit 4096 niveaux répartis sur la plage de tension utile. Rapportée à la fenêtre 4-20 mA, la résolution théorique descend largement sous le microampère. La précision réelle, elle, dépend du shunt, du gain de l'INA196 et de la stabilité de la référence de tension : un étalonnage à deux points s'impose pour les mesures exigeantes.
Oui. Un cavalier CMS repéré J1 sélectionne la tension d'alimentation. Il arrive soudé en position 3,3 V, ce qui convient tel quel au Raspberry Pi, à la micro:bit et aux microcontrôleurs 3,3 V. Pour une carte hôte en 5 V comme l'Arduino UNO, le cavalier doit être déplacé sur la position 5 V.
Un shield d'adaptation mikroBUS fait le pont : il s'enfiche sur les connecteurs de l'Arduino et propose un ou plusieurs sockets mikroBUS. Le Click 4-20 mA R s'y insère alors comme sur une carte MikroElektronika, et le bus SPI de l'Arduino prend en charge le dialogue avec le convertisseur.
Une seule. Le module comporte un unique bornier d'entrée et un unique convertisseur. Lire plusieurs capteurs 4-20 mA suppose donc autant de modules que de boucles, répartis sur une carte hôte à plusieurs sockets mikroBUS ou sur un shield d'adaptation multi-sockets.
La boucle est alimentée par le transmetteur ou par une source externe, typiquement 24 V en environnement industriel. Le Click 4-20 mA R ne fournit pas cette énergie : il mesure seulement le courant qui circule. Son étage d'entrée bâti autour de l'INA196 tolère des tensions de mode commun de -16 V à +80 V, ce qui couvre la très grande majorité des installations.
Note d'application Click Board™ et Arduino™ (TOME 1)
Note d'application Click Board™ et Arduino™ (TOME 2)
Téléchargez également les fichiers sources de ces notes d'applications
Les modules Click™ Board sont utilisés dans les établissements scolaires !
Lextronic propose également désormais aux professeurs de recevoir (par email) et sur simple demande différents TP leur permettant de mettre en oeuvre divers modules Click Board avec une platine arduino UNO.
En tant que professeur, il vous suffit de nous adresser votre demande via notre adresse email lextronic@lextronic.fr (en précisant le nom et l'adresse de votre établissement) - Seules les demandes en provenance d'une adresse email académique seront traitées (les demandes via des comptes free, gmail, hotmail, etc... ne pourront pas être traitées - Merci de votre compréhension).
Ces différents TP sont composés: d'une documentation technique, des programmes Arduino™, des schémas (sous Proteus) et des corrigés
Idéalement conçue pour le prototypage rapide, l'apprentissage et l'évaluation, cette platine Shield est destinée à venir s'enficher sur une carte Arduino® Mega2560 afin que vous puissiez y insérer jusqu'à 3 modules Click Board.
Ce module Click Board est un convertisseur 4 - 20 mA intégrant un isolateur numérique 4 entrées "ADuM1411" associé à un convertisseur DAC 12 bits de type "MC4921 ainsi qu'à un transmetteur de boucle de courant 4 - 20 mA de type XTR116.
Idéalement conçue pour le prototypage rapide, l'apprentissage et l'évaluation, cette platine Shield est destinée à venir s'enficher sur une platine Raspberry (B+/2/3/+B+/4) afin que vous puissiez y insérer jusqu'à 2 modules Click Board.
La platine Flip & click partage beaucoup de l'ADN d'un Arduino®. En premier lieu de part son microcontrôleur Atmel™ 32-bit MCU AT91SAM3X8E (comme sur l'Arduino® DUE™) et de part son brochage identique à celui d'un Arduino® Uno 328.
Idéalement conçue pour le prototypage rapide, l'apprentissage et l'évaluation, cette platine Shield est destinée à venir s'enficher sur une carte Arduino ® uno, R4, Minima ou Leonardo ou CB210 afin que vous puissiez y insérer jusqu'à 2 modules Click Board.
Le starter-kit "EasyMx PRO v7" est probablement l'outil de développement pour microcontrôleurs STM32® ARM® Cortex™-M3 et Cortex-M4 doté du meilleur rapport qualité / prix du marché.
Ce starter-kit professionnel est spécialement conçu pour pouvoir développer sur les microcontrôleurs Atmel™ 8, 14, 20, 28 et 40 broches de la famille AVR™.
Bénéficiant d'une documentation complète et détaillée, le starter-kit "EasyPIC for dsPIC30" est probablement l'outil de développement pour microcontrôleurs dsPIC30 doté du meilleur rapport qualité / prix du marché.
Bénéficiant d'une documentation très complète, le starter-kit "EasyPIC7" est probablement l'outil de développement pour microcontrôleurs PIC® 8 à 40 broches doté du meilleur rapport qualité / prix du marché.
Le starter-kit "EasyPIC Fusion™ v7" est probablement l'outil de développement pour microcontrôleurs dsPIC®, PIC24 et PIC32 doté du meilleur rapport qualité / prix du marché.
