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)過程和壓力變化的重要元件，可用于測量壓力、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、信號調(diào)理、ADC、處理器、顯示器、鍵盤、通訊等模塊。目前變送器市場熱度高漲，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鏈，采用4-20mA環(huán)路供電方式，環(huán)路需要同時提供電源和數(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鏈。

圖1 CN0289 4-20 mA環(huán)路供電壓力變送器

該電路有三個重要的電路級：傳感器激勵驅(qū)動、傳感器輸出放大器和電壓-電流轉(zhuǎn)換器。傳感器激勵可通過跳線切換電壓、電流驅(qū)動，傳感器最大驅(qū)動電流為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)、低失調(diào)(G = 50時58μV，B級；G = 50時112μV，A級)、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也在該模擬信號鏈中被用于前級微弱信號的放大。同時，AD8422也正在被越來越多的客戶采用。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)品具有更高的動態(tài)范圍和更低的誤差，功耗降至三分之一。

純模擬信號鏈提供了一種簡單的低成本解決方案。不過，該方案無法線性化，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，可對信號進(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。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、汽車級的解決方案，MAX40109作為MAX1452的升級產(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16位DAC，在PGA前端提供了最大±90mV/V校準(zhǔn)，可將傳感器信號調(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倍的放大帶來更大的動態(tài)信號范圍；

3、 測溫：可通過電橋或外部測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：存儲器可編程40次，相對于其他的OTP產(chǎn)品具有了更大的優(yōu)勢；

圖4 傳感器校準(zhǔn)框圖

5、 4P4T：小型數(shù)字信號處理器（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：相對于其他產(chǎn)品，MAX40109具有更寬的供電范圍(3V-36V)，可進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)、減少外圍器件數(shù)量。

圖5 MAX40109 EVKit GUI

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

三、智能變送器方案

隨著自動檢測與控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對變送器的測量精度、信號傳輸距離、輸出信號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，該電路已通過兼容性測試和驗(yàn)證，并通過了HART通信基金會(HCF)的注冊。這一成功注冊可讓電路設(shè)計(jì)人員極其放心地使用電路中的一個或全部元件。

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。支持直接與多個模擬傳感器對接，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)場儀器，這款解決方案并不局限于溫度補(bǔ)償型的壓力測量。

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，通過硬件平臺及傳感器線性補(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)和軟件平臺開發(fā)的難度，縮短客戶開發(fā)時間，加速客戶產(chǎn)品上市周期。

表3 MAX32675恒流源測試

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

表4 1MPa測試數(shù)據(jù)

表5 10kPa/100kPa/3MPa測試數(shù)據(jù)

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

4、其他智能化產(chǎn)品

在整個工廠內(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。沒有工業(yè)連接，則無法提供可靠的方法來將大量工業(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趨勢。

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?，讓?shí)時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)置了一個高效率DC-DC降壓調(diào)節(jié)器，功耗降低了50%，同時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正在推動向無縫連接現(xiàn)場設(shè)備的過渡，并通過1.7km的單對以太網(wǎng)(SPE)電纜將以太網(wǎng)APL一直延伸到過程智能邊緣。MAC PHY支持通過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，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)的過渡將會逐步進(jìn)行，同時傳統(tǒng)的4 mA至 20 mA模擬連接仍會繼續(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，以更智能方式和更快速度向前邁進(jìn)。