ADI助力變送器從傳統(tǒng)環(huán)路供電到工業(yè)4.0智能化轉(zhuǎn)變

壓力變送器是許多工業(yè)設(shè)備中用于控制工業(yè)過(guò)程和壓力變化的重要元件，可用于測(cè)量壓力、液位、流速、密度等。通常，變送器可采用電池、線路電源、環(huán)路電源供電，并包括電源、信號(hào)調(diào)理、ADC、處理器、顯示器、鍵盤、通訊等模塊。目前變送器市場(chǎng)熱度高漲，HART、PROFIBUS、Modbus、IO-Link等最新技術(shù)也被引入應(yīng)用中，使得應(yīng)用場(chǎng)景得到了跨越式發(fā)展。那要如何設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)淖兯推飨到y(tǒng)呢?

技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Nathan Xiao介紹了ADI的模擬變送器、數(shù)字化變送器、智能變送器等不同類型的方案特性，并推薦了產(chǎn)品組合方案，包括精密放大器、精密基準(zhǔn)電壓源、精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器和低功耗微處理器等。

一、模擬變送器方案

早期變送器采用了純模擬的信號(hào)鏈，采用4-20mA環(huán)路供電方式，環(huán)路需要同時(shí)提供電源和數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)回路的工作電流必須小于4mA。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電路功耗小于或等于3.6 mA是比較典型的目標(biāo)值，ADI的CN0289參考設(shè)計(jì)就是典型的純模擬信號(hào)鏈。

圖1.CN0289 4-20 mA環(huán)路供電壓力變送器

該電路有三個(gè)重要的電路級(jí)：傳感器激勵(lì)驅(qū)動(dòng)、傳感器輸出放大器和電壓-電流轉(zhuǎn)換器。傳感器激勵(lì)可通過(guò)跳線切換電壓、電流驅(qū)動(dòng)，傳感器最大驅(qū)動(dòng)電流為2mA。傳感器輸出采用帶寬為39.6 kHz的共模濾波器(4.02 kΩ、1 nF)以及帶寬為2 kHz的差模濾波器(8.04 kΩ、10 nF)濾波;AD8226是理想的儀表放大器選擇，因?yàn)樗哂械驮鲆嬲`差(0.1%，B級(jí))、低失調(diào)(G = 50時(shí)58μV，B級(jí);G = 50時(shí)112μV，A級(jí))、出色的增益非線性度(75 ppm = 0.0075%)以及軌到軌輸出特性。

圖2.環(huán)路供電壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路(未顯示所有連接和去耦)

ADI的精密儀表放大器AD620/623/627也在該模擬信號(hào)鏈中被用于前級(jí)微弱信號(hào)的放大。同時(shí)，AD8422也正在被越來(lái)越多的客戶采用。它是AD620發(fā)展到第三代的產(chǎn)品，采用了最新的工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)，比歷代產(chǎn)品具有更高的動(dòng)態(tài)范圍和更低的誤差，功耗降至三分之一。

純模擬信號(hào)鏈提供了一種簡(jiǎn)單的低成本解決方案。不過(guò)，該方案無(wú)法線性化，也不提供溫度校準(zhǔn)和診斷功能，傳感器或輸出范圍的任何變化也需要變動(dòng)硬件。

二、數(shù)字化變送器方案

數(shù)字化變送器采用高度集成的處理器電路，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償，彌補(bǔ)了模擬變送器在線性度、溫漂等諸多方面的不足，大大提高了壓力變送器在全溫區(qū)的精度等級(jí)。ADA4558提供了符合LIN2.1標(biāo)準(zhǔn)接口的解決方案，MAX1452提供了工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)的解決方案，MAX40109作為MAX1452的升級(jí)產(chǎn)品也即將推出。

圖3.MAX40109功能框圖

MAX40109是一款高度集成的單芯片解決方案，在MAX1452基礎(chǔ)上增加并優(yōu)化了許多專用功能：

表1. MAX40109、MAX1452功能比較

1、 傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)：通過(guò)16位DAC，在PGA前端提供了最大±90mV/V校準(zhǔn)，可將傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)至真零;

2、 PGA：壓力通道的PGA可在5-2520間設(shè)置，基于傳感器的零點(diǎn)校準(zhǔn)功能，2520倍的放大帶來(lái)更大的動(dòng)態(tài)信號(hào)范圍;

3、 測(cè)溫：可通過(guò)電橋或外部測(cè)溫器件兩種方式獲取溫度信息，方便系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償;

4、 MTP：存儲(chǔ)器可編程40次，相對(duì)于其他的OTP產(chǎn)品具有了更大的優(yōu)勢(shì);

圖4.傳感器校準(zhǔn)框圖

5、 4P4T：小型數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)用于處理轉(zhuǎn)換后的傳感器數(shù)據(jù)以及溫度和非線性校正，最多可實(shí)現(xiàn)4P4T的校準(zhǔn)，可去除陶瓷補(bǔ)償板以節(jié)省系統(tǒng)成本;

6、 供電范圍：相對(duì)于其他產(chǎn)品，MAX40109具有更寬的供電范圍(3V-36V)，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少外圍器件數(shù)量。

圖5.MAX40109 EVKit GUI

ADI同時(shí)也提供基于MAX40109 Demo的單套標(biāo)定軟件，方便用戶進(jìn)行快速評(píng)估。

三、智能變送器方案

隨著自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)變送器的測(cè)量精度、信號(hào)傳輸距離、輸出信號(hào)的多元化功能等提出了更高的要求，產(chǎn)品更趨向于信息化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。

ADI公司提供種類豐富的高集成度、超低功耗且安全可靠的基于Arm®的微控制器，并提供多種存儲(chǔ)器大小、內(nèi)核和外設(shè)選擇，幫助工程師靈活設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)儀器。ADuCM360系列微控制器具備超強(qiáng)模擬性能;新款MAX32675包含穩(wěn)健可靠的安全特性。集成BLE5的MAX32680是在過(guò)程設(shè)備中實(shí)現(xiàn)Bluetooth®連接的出色選擇。

1、ADuCM360

圖6.CN0267 4-20mA環(huán)路供電解決方案

CN0267是基于ADuCM360設(shè)計(jì)的具有HART接口的完整4-20mA環(huán)路供電解決方案，該電路已通過(guò)兼容性測(cè)試和驗(yàn)證，并通過(guò)了HART通信基金會(huì)(HCF)的注冊(cè)。這一成功注冊(cè)可讓電路設(shè)計(jì)人員極其放心地使用電路中的一個(gè)或全部元件。

圖7.具有HART接口的4-20mA環(huán)路供電解決方案框圖

該電路使用了超低功耗精密模擬微控制器ADuCM360、16位環(huán)路供電數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5421，以及業(yè)界功耗極低、尺寸極小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器AD5700。

圖8.ADuCM360內(nèi)部功能框圖

ADuCM360集成了雙通道、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時(shí)還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準(zhǔn)電壓源、可編程電流源等。支持直接與多個(gè)模擬傳感器對(duì)接，如壓力傳感器電橋、電阻式溫度傳感器、熱電偶以及工業(yè)用途的其它各類傳感器。由于可用于幾乎所有的傳感器現(xiàn)場(chǎng)儀器，這款解決方案并不局限于溫度補(bǔ)償型的壓力測(cè)量。

2、MAX32675

圖9.MAX32675功能框圖

圖10.MAX32675變送器應(yīng)用框圖

MAX32675是一款基于Cortex®-M4F、具有強(qiáng)大安全功能的低功耗微控制器，除了具備ADuCM360的高性能模擬前端外，內(nèi)部增加了HART模塊，在功耗、Flash等方面也有了進(jìn)一步的提升，是一款更高性價(jià)比的智能變送器解決方案。

表2.MAX32675、ADuCM360參數(shù)比較

3、EPSH-SPTMX75-2W

圖11.EPSH-SPTMX75-2W

為了便于用戶評(píng)估MAX32675在兩線制壓力變送器方面的性能，Excelpoint世健技術(shù)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了參考方案 EPSH-SPTMX75-2W，通過(guò)硬件平臺(tái)及傳感器線性補(bǔ)償算法等軟件，配合PC端的調(diào)試軟件GUI對(duì)變送器進(jìn)行出廠前的調(diào)試、參數(shù)設(shè)置。降低了單片機(jī)和軟件平臺(tái)開發(fā)的難度，縮短客戶開發(fā)時(shí)間，加速客戶產(chǎn)品上市周期。

表3.MAX32675恒流源測(cè)試

恒流供電型的壓力變送器對(duì)溫漂指標(biāo)較為關(guān)注，在EPSH-SPTMX75-2W方案上，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了恒流源溫漂的實(shí)際測(cè)量，最終溫漂參數(shù)為33ppm/℃。

表4.1MPa測(cè)試數(shù)據(jù)

表5.10kPa/100kPa/3MPa測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)量精度方面，使用EPSH-SPTMX75-2W方案在1MPa量程上進(jìn)行了多種激勵(lì)電流和PGA放大倍數(shù)的測(cè)試，綜合精度均小于0.05%;同時(shí)在10kPa、100kPa、3MPa多種量程上，采用固定600uA激勵(lì)、32倍PGA放大倍數(shù)下進(jìn)行了測(cè)試，由于壓力源問(wèn)題在10kPa和100kPa量程處誤差偏大。

4、其他智能化產(chǎn)品

在整個(gè)工廠內(nèi)進(jìn)行先進(jìn)及高水平的工業(yè)連接是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基石。沒(méi)有工業(yè)連接，則無(wú)法提供可靠的方法來(lái)將大量工業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為洞察力，從而做出明智的決策，最終實(shí)現(xiàn)更好的業(yè)務(wù)產(chǎn)出和行業(yè)顛覆。新一代工業(yè)連接將資產(chǎn)和技術(shù)連接在一起，形成一個(gè)高效、有彈性且靈活的生態(tài)系統(tǒng)，可以輕松適應(yīng)獨(dú)特的制造需求并兼顧未來(lái)趨勢(shì)。

圖12.工業(yè)4.0連接

IO-Link®技術(shù)可促使傳統(tǒng)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軅鞲衅鳎寣?shí)時(shí)可配置的工廠車間成為現(xiàn)實(shí)。ADI公司的IO-Link主機(jī)和器件收發(fā)器產(chǎn)品系列非常強(qiáng)大且高度靈活，有助于將一些智能功能從PLC轉(zhuǎn)移到更靠近工廠車間的傳感器。高度集成且穩(wěn)健可靠的MAX22513 IO-Link器件收發(fā)器內(nèi)置了一個(gè)高效率DC-DC降壓調(diào)節(jié)器，功耗降低了50%，同時(shí)體積僅為其他雙通道解決方案的50%。除此之外，MAX14819/MAX14819A IO-Link主機(jī)收發(fā)器還集成了UART幀處理器，因而無(wú)需外部UART，減少了系統(tǒng)微控制器的寶貴開銷。

圖13.IO-Link連接示意

低功耗10BASE-T1L MAC PHY和配套的ADIN1100 PHY正在推動(dòng)向無(wú)縫連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的過(guò)渡，并通過(guò)1.7km的單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)電纜將以太網(wǎng)APL一直延伸到過(guò)程智能邊緣。MAC PHY支持通過(guò)SPI連接各種主機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)較低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化型系統(tǒng)分區(qū)。下表為應(yīng)用于壓力變送器的ADI特色器件。

表6.ADI變送器應(yīng)用特色產(chǎn)品

工業(yè)4.0已經(jīng)到來(lái)，借助邊緣到云計(jì)算、分析、軟件可配置系統(tǒng)等方面的重大技術(shù)進(jìn)步，有望極大地提高生產(chǎn)力、靈活性和安全性。壓力變送器向以太網(wǎng)的過(guò)渡將會(huì)逐步進(jìn)行，同時(shí)傳統(tǒng)的4 mA至 20 mA模擬連接仍會(huì)繼續(xù)使用。ADI公司能提供全面的產(chǎn)品組合方案，Excelpoint世健提供相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)和支持，幫助客戶立足眼前、面向未來(lái)，以更智能方式和更快速度向前邁進(jìn)。