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作為工業過程控制系統的“千里眼、順風耳”，可在現場監測溫度、壓力、流量、液位、位置、角度、酸堿度(pH)、含氧量、氣體探測、腐蝕情況等等這些過程控制變量的儀器儀表或智能變送器（傳感器）和其他工業系統一樣，正在朝著更高的效率、更佳的魯棒性、更高的通道密度、更快的速度向前發展，這相應促進了半導體器件新技術方案的發展。 具體來說，如今的儀表和變送器外殼正變得越來越小，因此對半導體器件提出了如下一些要求：1.需要更小的器件；2.需要更高的集成度；3.需要額定溫度更高的器件；4.需要效率更高的器件；5.安全要求更高的器件—診斷；6.處理要求越來越高，MCU既需要功耗更低也需要具備更強的處理能力。 圖1：典型的工業過程控制系統的傳感器執行器網絡架構。 工業現場儀器儀表通常是通過傳感器感知現場一些物理以及化學的變量，并將信息發送至PLC控制模塊（如圖1左下側所示）。一般變送器分為兩種類型：一類是環路供電型，采用兩線式連接，同時提供電源和通信，從控制室通過電流環路供電，對于標準傳送器，整個傳送器的工作電流必須小于3.2mA，而對于支持HART的變送器則必須小于2.7mA。另一類是非環路供電型，采用4線式連接，兩條用于電源，兩條用于通信，無功耗限制，用于無法從電流環路獲取足夠電源的情況。 兩線制的連接就是4mA到20mA的環路，儀表的電源和傳送的信息都是在這兩根線上提供的，通常規定的最小電壓是要≥12V，最小的工作電流必須小于4mA，這樣它的總可用功率就很小（<50mW)，顯然符合工業過程控制系統對更高效率的發展需求。但這對半導體器件選擇和電路設計的低功耗提出了很高的要求，因為實際應用中要求會更嚴格。 以環路供電壓力變送器為例，其信號鏈電路組成如圖2，輸入部分包括了儀表放大器、ADC、微處理器、MCU;輸出部分DAC驅動是二環的輸出，并從環路上取得電，然后再把它變成電壓形成電源電路，同時還包括有LCD顯示人機界面、系統的整個時鐘等等。整個電路系統可用的功率必須要小于50mW，實際應用中要求更嚴格，總系統工作電流必須小于4mA，包括傳感器/ADC/MCU/4mA至20mA電路電源，每種器件都要求消耗盡可能低的功耗。 。 工業現場環路供電儀器儀表的四大關鍵設計環節 圖2：現場儀器儀表信號鏈——環路供電壓力變送器。 因此，回到文章開頭提到的，現在過程控制系統需要更小尺寸、更高集成度的度器件，其工作溫度范圍要更寬，效率更高，而且對安全性的要求也更高，處理器的能力要求更高、功耗需更低。在數據采集領域擁有40余年的領先經驗的ADI公司為環路供電的現場儀器儀表/變送器提供了滿足這些要求的優秀半導體器件方案，本文將根據圖2信號鏈中的四大關鍵環節的設計需求和挑戰，逐一解析ADI方案的特色和優勢。 一、低功耗Σ-Δ型內核集成式模擬前端 適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端方面，集成了儀表放大器和高精度∑-△型ADC的低功耗AD779X系列是非常成功的產品系列，包括AD7791/92/93/94/95/96/97/98/99等9種型號。它們內置一個低噪聲16位/24位Σ-Δ型ADC，其中含有3個/6個差分模擬輸入，利用片上的MUX來切換多路通道；還集成了片內低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號。它們還內置一個精密低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源，而且也可采用一個外部差分基準電壓。其它片內特性包括可編程激勵電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產生器。這幾乎就是在一顆芯片上實現了一個完整的模擬前端，只需極少的外圍芯片直接就可以去處理熱電阻或熱電偶的信號，適用于壓力傳感器或熱電偶傳感器（冷結補償）等應用。 AD779X系列工作電流極低300μA至450μA），因而可實現極低的功耗；可以采用內部時鐘或外部時鐘工作，輸出數據速率可通過軟件編程設置（4SPS至500SPS）；同時具備卓越的失調和漂移規格，片上數字濾波器可實現50Hz和60Hz同時抑制。 二、更高集成度的精密模擬微控制器 除了分立的模擬前端片上系統，ADI公司還提供集成度更高的解決方案，把前端(像前面提到的多路復用器（MUX）、儀表放大器、ADC)再加上微控制器（也稱單片機），包括像時鐘看門狗、系統的診斷等功能全部集成在一起，即ADuCM360——它的內核是ARM Cortex-M3。 圖3是ADuCM360系統框圖。ADuCM360是完全集成的3.9kSPS、24位數據采集系統，在單芯片上集成雙核高性能多通道Σ-Δ型模數轉換器(ADC)、32位ARM Cortex-M3微處理器和Flash/EE存儲器。在有線和電池供電儀器儀表應用中，ADuCM360可設計為與外部精密傳感器直接連接。 圖3：精密模擬微控制器ADuCM360的系統框圖。 ADuCM360的模擬子系統由雙通道ADC組成，每個ADC均連接到一個靈活的輸入多路復用器。兩個ADC都可在全差分和單端模式下工作。其他的片內ADC功能包括：雙通道可編程激勵電流源、診斷電流源和偏置電壓產生器AVDD_REG/2（900mV），可設置輸入通道的共模電壓。低端內部接地開關可在兩次轉換之間關斷外部電路（例如電橋電路）。 ADC包含兩個并聯的濾波器：一個sinc3或sinc4濾波器與sinc2濾波器并聯。Sinc3或Sinc4濾波器用于精密測量。sinc2濾波器用于快速測量和輸入信號的步進變化檢測。 該器件集成一個1.2V低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源，但在采用比例式測量配置時可配置成接受一或兩個外部基準電壓源。片內集成了可緩存外部基準電壓輸入的選項。片內還集成一個單通道緩沖電壓輸出DAC。 ADuCM360集成了一系列片內外設，可以根據應用需要通過微控制器軟件控制進行配置。這些外設包括：UART、I2C和雙通道SPI串行I/O通信控制器、19引腳GPIO端口；兩個通用定時器；喚醒定時器及系統看門狗定時器。同時提供了一個帶6個輸出通道的16位PWM控制器。 低功耗自然也是ADuCM360的可圈可點之處，特別適合電池供電應用。微控制器內核可配置為普通工作模式，功耗290μA/MHz（包括flash/SRAM IDD）。在兩個ADC均打開（輸入緩沖器關閉）、PGA增益為4、一個SPI端口打開和所有定時器均打開時，系統總電流消耗可以達到1mA。另外，該器件通過直接編程控制可配置為許多低功耗工作模式，包括休眠模式（內部喚醒定時器有效），此時能耗僅為4μA。在休眠模式下，諸如外部中斷或內部喚醒定時器等外設可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運行，同時仍然響應外部異步或周期事件。 ADI還推出了基于ADuCM360配合ADP1720 LDO的環路供電變送器應用參考設計CN0300以及評估板(詳情見： www.Analog.com/cn0300)，這是一個提供4mA至20mA輸出的完整閉環精密模擬微控制器熱電偶測量系統，該電路稍作修改也可實現熱電阻的測量。 圖4：ADI公司4mA-20mA輸出的完整閉環精密模擬微控制器熱電偶測量系統參考板。 三、4mA-20mA接口輸出DAC：低功耗、小尺寸、高安全性 對于圖2信號鏈的環路供電4mA-20mA輸出環節，ADI公司推薦非常適合的高性能、低功耗集成式低成本DAC解決方案——AD5421。相對競爭性方案，其功耗可節省50%，占板空間可節省高達55%。AD5421保證16-bit單調性，典型條件下，積分非線性為0.0015%，失調誤差為0.0012%，增益誤差為0.0006%。它采用28引腳TSSOP封裝，額定溫度范圍為-40℃至+105℃工業溫度范圍。 AD5421內置一路穩壓輸出，用于為自身及變送器中的其它器件供電。此調節器提供1.8V至12V的調節輸出電壓，可支持低電壓輔助系統元件。該器件還內置1.22V和2.5V基準電壓源，因而不需要分立調節器和基準電壓源。 AD5421可以結合標準HART FSK協議通信電路使用，而且額定性能不會受到影響。高速串行接口能夠以30MHz速率工作，并且允許通過一個SPI兼容型三線式接口與常用的微處理器和微控制器簡單相連。 在圖2所示信號鏈中，AD5421可發揮增強的故障檢測功能：它對SPI的接口有一個看門狗定時器，SPI接口可有分組錯誤的校驗，還有環路電流、電壓的監測，并可對片上本身溫度進行監測，還有就是可以進行電源電壓的監控，確保了系統的安全和可靠性。 四、通過HART通信實現增強的測量和診斷功能 對于當今的現場儀器儀表，還有一個很重要的設計環節就是HART(可尋址遠程傳感器高速通道)通信。隨著全球工業過程控制系統朝著需要更多診斷功能、需要進行資產管理、需要更多通信的趨勢發展，HART逐步成為是一個通行的準數字標準，在傳統單向的、單通道、診斷功能有限（正常/故障）的4mA-20mA工業總線上增加一個HART選項，通過調頻的方式，疊加數字的信號，來實現增強的測量能力和雙向診斷功能（圖5）。 圖5：HART通信在過程控制領域方興未艾。 傳統上做變送器/現場儀器儀表的系統廠商已經普遍在一些高端模塊上整合了HART，近年來的趨勢是做控制器、PLC以及DCS的廠商也開始在自己的IO模塊、控制器模塊上去加HART，以便提供更好的系統診斷和通訊的功能。 ADI公司的AD5700是一款能很好滿足HART標準規格要求的集成式低功耗HART FSK半雙工調制解調器。AD5700是一種單芯片解決方案，集成所有必要的濾波、信號檢測、調制、解調和信號生成功能，還集成了全溫度范圍內都能保證精度為0.5%的精密振蕩器，并包含精密載波檢測電路并采用標準UART接口，和業界同類產品相比，可減少60%的外部元件。該器件在做解調模式時最低只有178μA，還帶基準源，功耗相比同類產品降低了38%，因此是低功耗環路供電型應用的最佳選擇。 AD5700采用小型4mm x 4mm外殼設計，尺寸減小了75%；該器件的工作電源電壓最低可以在1.71V，其他很多產品到3.3或者3.35V以下就無法工作了；發射波形為相位連續1200Hz和2200Hz正弦波。 圖6：DEMO-AD5700-D2Z—適合工業HART通信的ADI完整解決方案。 如圖6，ADI新推出了基于AD5700的具有HART接口的完整4mA至20mA環路供電現場儀器評估板。該方案已通過了HART基金會的測試認證。因為HART基金會規定不提供商業用途HART的堆棧，所以ADI也不提供HART堆棧，只計劃要公布簡化實例代碼，包括單片機ADuCM360（配置，PGA，2× ADC，Vref…）、AD5421(SPI)、AD5700(UART)外設的驅動，還提供一條HART的命令，但不是HART堆棧(可以去找第三方提供)。 |
