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树莓派接入4-20mA变送器实战指南：从引脚图到工业信号采集

你有没有遇到过这样的场景？手头有个高精度的工业级压力传感器，输出是4-20mA电流信号，想用树莓派做数据采集和远程监控——结果发现，树莓派根本读不了模拟信号，更别说直接接电流了。

这不是你的问题，而是设计上的天然鸿沟：一边是工业现场坚固耐用、抗干扰强的4-20mA标准；另一边是消费级嵌入式系统如树莓派，虽然计算能力强、接口丰富，但连一个模拟输入引脚都没有。

那怎么办？放弃吗？当然不。本文就带你一步步打通这条“数字世界”与“工业现场”的桥梁。我们不会堆砌术语，也不会甩一张复杂的电路图让你自己琢磨。相反，我会像一位老工程师坐在你旁边一样，从最基础的树莓派4B引脚功能图讲起，手把手教你如何安全、可靠地把4-20mA变送器接入树莓派，并实现精准读数。

为什么工业都爱用4-20mA？它比电压强在哪？

在深入硬件连接之前，先搞清楚一个问题：为什么非得折腾4-20mA这么麻烦的东西？不能直接给个0~5V电压吗？

答案很简单：稳定性 + 可靠性 + 故障检测能力。

想象一下工厂车间，几十米甚至上百米的电缆穿行在电机、变频器、高压设备之间。如果你用0~5V电压传信号，哪怕有一点电磁干扰，采样值可能就跳了几百毫伏，误差大得没法看。

而4-20mA不一样：

• 它是电流驱动，线路阻抗变化不影响信号（只要电源够劲）；
• 4mA代表“最小值”，不是0mA——这意味着如果断线或设备掉电，电流会降到0，系统立刻知道“出事了”；
• 长距离传输（几百米甚至上千米）也能保持精度；
• 多数采用两线制，既供电又传信号，布线简单。

所以，你在石油、化工、水处理、暖通空调等领域看到的绝大多数传感器，都是4-20mA输出。

但这也带来一个问题：树莓派GPIO只能处理3.3V数字电平，怎么敢碰这种工业回路？

别急，关键就在于“隔离”和“转换”。

看懂树莓派4B引脚图：你的第一张地图

拿到一块树莓派4B，正面那个40针排母就是所有外设连接的生命线。这张“地图”决定了你能怎么扩展功能。

别被名字绕晕：BCM编号 vs 物理编号

你会看到两种编号方式：
-物理引脚号（Pin Number）：从1开始数，按位置排列。
-BCM编号（GPIOxx）：Broadcom芯片内部通道号，编程时要用这个。

比如你想用I2C通信，就得找标着SDA1和SCL1的引脚——它们对应的是：
- GPIO2 → SDA1（数据线）
- GPIO3 → SCL1（时钟线）

这两个引脚就在物理第3脚和第5脚上。

还有几个必须记住的关键引脚：
-3V3：提供3.3V电源，可为小模块供电（最大50mA左右）；
-GND：接地，至少有6个地脚可供选择；
-5V：来自USB电源，不稳定，建议外部稳压后再用。

⚠️血的教训提醒：千万不要把外部24V接到任何标有“GPIO”的引脚！轻则烧IO，重则SoC报废。

所以我们的策略很明确：让树莓派只负责“读数字”，其他事情交给专用模块去办。

如何把“电流”变成“电压”？核心在于一个电阻

既然树莓派不能读电流，那就把它变成能读的——电压。

这就是所谓的I/V 转换（电流转电压），原理极其简单：欧姆定律 $ V = I \times R $。

假设我们放一个250Ω 精密电阻在4-20mA回路中：

于是，1V ~ 5V 的电压就出现在这个电阻两端，接下来只要测量这个电压，就能反推出原始电流。

但这还不是终点——因为树莓派依然不能直接测模拟电压！

树莓派没有ADC？那就外挂一个：ADS1115登场

没错，树莓派4B本身没有内置ADC（模数转换器），但它支持I2C、SPI等总线协议，可以轻松外接高精度ADC芯片。

其中最受欢迎的就是TI出品的ADS1115。

为什么选ADS1115？

• ✅ 16位分辨率（比很多单片机自带的10位ADC还高）
• ✅ 支持4路单端或2路差分输入
• ✅ 内置PGA（可编程增益放大器），量程灵活
• ✅ I2C接口，仅需两根线即可通信
• ✅ 工作电压兼容3.3V，完美匹配树莓派
• ✅ 开源Python库完善，几分钟就能跑通

更重要的是，它的典型应用之一就是配合4-20mA信号调理电路使用。

实战接线：一步一步搭建完整链路

现在我们来组装整个系统。记住一句话：高压归高压，低压归低压，中间要有“翻译官”。

元件清单

接线步骤详解

第一步：构建电流环

[24V+] ----+---- [4-20mA变送器 +] | [保险丝（可选）] | [24V-] <---+---- [4-20mA变送器 -] ----+---- [250Ω电阻] ---- [GND of 24V电源] ↑ 此处取电压 → 接ADS1115 AIN0

⚠️ 注意：
- 变送器由24V独立供电，不要试图用树莓派的5V或3.3V供电！
- 250Ω电阻一端接变送器负极，另一端接地（即24V电源负极）；
- 电压从电阻两端取出，正端接ADC输入，负端接GND。

第二步：连接ADS1115到树莓派

📌 提示：确保树莓派已启用I2C接口：

sudo raspi-config # → Interface Options → I2C → Yes

安装必要库：

sudo apt update sudo apt install python3-smbus i2c-tools pip3 install adafruit-circuitpython-ads1x15

检查是否识别到设备：

i2cdetect -y 1

应能看到48地址出现。

Python代码实战：实时读取电流并换算工程值

下面这段代码不仅能读电压，还能自动转成电流，并判断是否正常。

import time import board import busio from adafruit_ads1x15.ads1115 import ADS1115 from adafruit_ads1x15.analog_in import AnalogIn # 初始化I2C总线 i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA) # 创建ADS1115对象（默认地址0x48） ads = ADS1115(i2c) # 设置采样率和增益 ads.data_rate = 860 # 最高速度860SPS ads.gain = 1 # ±4.096V量程（适合1~5V输入） # 创建模拟输入通道（AIN0-GND） chan = AnalogIn(ads, 0) # AIN0 对应P0 print("开始采集4-20mA信号...") print("电压(V)\t\t电流(mA)\t状态") while True: voltage = chan.voltage # 单位：伏特 current = (voltage / 250.0) * 1000 # I = V/R × 1000 → mA # 判断状态 if current < 3.8: status = "❌ 断线或故障" elif current > 20.5: status = "⚠️ 超量程" else: status = "✅ 正常" print(f"{voltage:.3f}V\t\t{current:.2f}mA\t{status}") time.sleep(1)

运行效果示例：

电压(V) 电流(mA) 状态 1.203V 4.81mA ✅ 正常 3.750V 15.00mA ✅ 正常 0.000V 0.00mA ❌ 断线或故障

你可以进一步将电流映射为实际物理量，例如：

# 假设4mA对应0℃，20mA对应100℃ temperature = (current - 4.0) * (100 / 16) print(f"当前温度: {temperature:.1f}℃")

常见坑点与调试秘籍

别以为接完线就能万事大吉。以下是新手最容易踩的几个坑：

❌ 问题1：电压始终为0或接近0

排查方向：
- 是否忘了接24V电源？
- 变送器是否需要单独供电（三线制）？
- 250Ω电阻是否虚焊或阻值错误？

🔧 秘籍：用电压表直接测电阻两端，确认是否有1~5V压降。

❌ 问题2：电压超过5V，ADS1115报警甚至损坏

原因：某些变送器负载电压上限较低，当供电24V、压降过大时可能导致输出异常。

💡 解决方案：
- 改用100Ω采样电阻 → 输出0.4V~2.0V，更安全；
- 或改用带过压保护的信号隔离模块（推荐用于工业环境）。

❌ 问题3：读数跳动剧烈、噪声大

原因：工业现场电磁干扰严重，导线如同天线。

🛠 应对措施：
- 在ADS1115输入端加RC低通滤波：串联10kΩ电阻 + 并联100nF电容到地；
- 使用屏蔽双绞线连接变送器；
- 将24V电源与树莓派电源物理隔离。

✅ 高阶玩法：加一级隔离保命

如果你的应用环境恶劣（强电、雷击风险、长距离），强烈建议加入信号隔离模块，例如：

• AMC1200：隔离型ΔΣ调制器，直接替换采样电阻；
• HX-4I系列模块：集成I/V转换+光耦隔离+稳压输出，即插即用；
• 带隔离的DC-DC电源：彻底切断地环路。

这类模块虽然贵一点，但能避免一次烧板子带来的损失。

总结：这套方案到底适不适合你？

这套基于树莓派4B + ADS1115 + 250Ω电阻的4-20mA采集方案，特别适合以下场景：

✅教育实验：学生理解工业信号采集全流程
✅原型开发：快速验证传感器可行性
✅小型自动化项目：楼宇监控、农业温室、水质检测
✅边缘计算前端：本地采集后通过MQTT上传云平台

但它也有局限：

⛔ 不适用于多通道高速采集（I2C速度有限）
⛔ 无原生隔离，需自行增加防护
⛔ 对电源共地要求较高，设计不当易引入噪声

最后一句真心话

技术从来不是孤立存在的。当你真正动手把一根4-20mA的线接到树莓派上，并看到屏幕上跳出第一个“4.02mA”的瞬间，那种连接“现实世界”与“数字系统”的成就感，远比背一百遍理论来得深刻。

而这套方法，正是无数工业物联网项目的起点。

如果你正在尝试类似项目，欢迎留言交流你遇到的问题。也可以分享你是如何校准系统的、用了哪些传感器，我们一起把这条路走得更稳、更远。