兼容工業(yè)4.0的環(huán)路供電型現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)

科技和工業(yè)的發(fā)展不斷將人類進(jìn)步推向新的高度。技術(shù)發(fā)展歷史上的巨大飛躍（或里程碑）稱之為工業(yè)革命。現(xiàn)在，我們已經(jīng)邁入一個(gè)新階段：工業(yè)4.0。

第一次、第二次和第三次工業(yè)革命分別帶來蒸汽動(dòng)力和水力生產(chǎn)、大規(guī)模電氣化生產(chǎn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，第四次革命的重點(diǎn)則轉(zhuǎn)向了數(shù)字自動(dòng)化工廠。企業(yè)全面廣泛運(yùn)用數(shù)字自動(dòng)化技術(shù)，通過自動(dòng)控制提高效率。不僅可實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，還可以提高產(chǎn)量和供貨效率。通過完全聯(lián)網(wǎng)的操作，可以更好地規(guī)劃供應(yīng)路線，降低倉儲(chǔ)成本，確保提高利用率。在需求不斷上升的時(shí)代，機(jī)器停機(jī)的代價(jià)非常高昂。聯(lián)網(wǎng)控制工廠有利于規(guī)劃，從而有助于預(yù)防生產(chǎn)中斷。

工業(yè)4.0時(shí)代的重點(diǎn)不僅僅是發(fā)展新設(shè)施。如何繼續(xù)充分利用和擴(kuò)充現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字工廠的快速攤銷，是從成本角度考慮的另一個(gè)重要因素。對(duì)于智能工廠的運(yùn)營(yíng)者來說，收購成本（越低越好）和是否需要重大結(jié)構(gòu)性變更（最好是不需要）是在成本效益分析中必須評(píng)估的重要標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)智能工廠的一個(gè)關(guān)鍵方面是采用擁有智能處理能力的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表（即所謂的智能變送器）以支持工廠監(jiān)測(cè)和診斷，以及與其他新增現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表聯(lián)網(wǎng)。這些智能變送器可以分布在整個(gè)工廠中，不同的傳感器可以互連，并且可以對(duì)以前沒有聯(lián)網(wǎng)的部件進(jìn)行監(jiān)控。

現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的通用基本智能單元。這些單元需進(jìn)行更周詳?shù)目紤]，以儀器儀表為例，它可以與各種傳感器（如電阻溫度計(jì)、熱電偶和壓力傳感器）配合使用。智能變送器是由當(dāng)今常用的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表發(fā)展而來的智能現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，它完全由環(huán)路供電，或者由輔助電源補(bǔ)充供電。智能變送除了所含的其他組件之外，主要利用微處理器，包含使變送器智能化的軟件。然而，現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的智能功能并非只能存儲(chǔ)在微控制器的軟件中。診斷和其他安全功能也可以集成到其他半導(dǎo)體模塊（例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC）中，這樣微控制器就可以包含更多處理軟件。智能變送器通常使用標(biāo)準(zhǔn)的4 mA至20 mA的電流環(huán)路，這限制了變送器的最大功耗。因此，各個(gè)元件的功耗必須受到嚴(yán)格的限制。如果使用低至3.2 mA的報(bào)警電流，此限值為3.2 mA。對(duì)智能變送器的發(fā)展趨勢(shì)包括低功耗、小尺寸空間、更多功能、更好的性能、安全考慮和預(yù)測(cè)性維護(hù)（圖 1）。

圖1. 面向工業(yè)4.0的智能變送器的發(fā)展趨勢(shì)。

圖2. 智能變送器框圖。

典型的智能變送器信號(hào)鏈如圖2所示。這個(gè)儀器包含一個(gè)傳感器和一個(gè)ADC，通常由模擬前端和模擬預(yù)處理單元組成。數(shù)字信號(hào)從ADC經(jīng)過隔離柵送入微處理器，然后進(jìn)入接口。在當(dāng)今的工廠自動(dòng)化中，通常采用一個(gè)4 mA至20 mA接口的2線解決方案。這需要一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)化器 (DAC)?？蓪ぶ愤h(yuǎn)程傳感器高速通道 (HART) 協(xié)議允許雙向使用該接口。如果控制室也兼容HART，則可以通過HART協(xié)議傳輸更復(fù)雜的流程，從而通過現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表可實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用。

下文詳細(xì)介紹了每個(gè)元件的作用，并展示了一個(gè)特別高效并可節(jié)省空間的范例電路。該電路采用ADI公司的模塊構(gòu)建，可滿足工業(yè)4.0的所有要求，具有高精度、低功耗的特點(diǎn)。圖3顯示的是電路框圖原理圖（上圖）和實(shí)物圖片電路圖（下圖）。

傳感器連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器；本例中為AD712424位Σ-? ADC。該ADC是一個(gè)高度集成的模塊。它集成了節(jié)省空間的模擬前端，無需外部儀表放大器和運(yùn)算放大器。AD7124可靈活設(shè)計(jì)為具有4個(gè)或8個(gè)差分輸入，與各種傳感器搭配使用。此外，這款A(yù)DC具有可編程電源，這一點(diǎn)非常重要，例如，無源溫度傳感器需要三種不同的電源模式。這使得功耗設(shè)計(jì)非常靈活多變。輸出數(shù)據(jù)的精度和速率取決于電源模式的選擇。因此，現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表也有可能在3.2 mA的功率限制以下工作，與功能更強(qiáng)大的微處理器或其他傳感器連接以實(shí)現(xiàn)并行測(cè)量。AD7124還具有各種診斷功能，包括：

* 將所有數(shù)據(jù)讀取/寫入有效寄存器* 僅將有效數(shù)據(jù)讀入寄存器* 驗(yàn)證電壓調(diào)節(jié)器 (LDO) 徹底去耦* 驗(yàn)證ADC調(diào)制器和濾波器性能是否符合規(guī)格* 驗(yàn)證是否過壓或欠壓

這些防范措施不僅有助于輕松達(dá)到安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而且還可以通過HART協(xié)議傳送信息，提前規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的維護(hù)工作。由于提高了可用性和降低了維護(hù)要求，工業(yè)4.0意味著效率的大幅提高。

現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的絕緣是另一個(gè)關(guān)鍵因素。絕緣不充分會(huì)產(chǎn)生接地回路和過壓，這不僅會(huì)損壞儀表，而且在通過2線連接傳輸時(shí)，還會(huì)損壞連接的可編程邏輯控制器 (PLC)。而良好的絕緣通常能夠抗衡環(huán)路供電型現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的電流限值；本例中使用的是ADuM1441數(shù)字隔離器。低數(shù)據(jù)速率時(shí)，該器件所需功率比以前的解決方案要小很多，因此在給定的功耗限值內(nèi)可以提供充分的絕緣。

除了AD7124和ADuM1441單元之外，另一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表元件是微控制器。通常使用基于ARM?的微控制器，如ADuCM3027/ADuCM3029。它們的有源功耗小于38 μA/MHz，是智能變送器的理想之選。ARM微控制器廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)也非常適合安全相關(guān)的應(yīng)用。ADuCM3027/ADuCM3029還具有AES-128/AES-256加密技術(shù)，可以啟用額外的安全功能。這些微處理器還集成了智能軟件，可通過編程執(zhí)行診斷，例如對(duì)AD7124進(jìn)行校準(zhǔn)以確保現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表提供精準(zhǔn)的測(cè)量。

HART協(xié)議允許對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表進(jìn)行智能設(shè)計(jì)，而無需太多基礎(chǔ)設(shè)施要求。它可用于4 mA和20 mA電流環(huán)路，當(dāng)然這需要一個(gè)HART主設(shè)備和一個(gè)HART從設(shè)備。用戶利用HART可以在現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表和PLC之間建立數(shù)字連接。這將在控制室和現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表之間創(chuàng)建一個(gè)智能連接。為了實(shí)施HART，需要有一個(gè)HART調(diào)制解調(diào)器連接至兼容HART的DAC。這些器件必須高度集成并且功耗極低。這兩個(gè)因素—小尺寸和低功耗是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的前提條件。

HAR可以在現(xiàn)有的電流環(huán)路上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，但需要HART調(diào)制解調(diào)器將信號(hào)調(diào)制為干凈的電流信號(hào)。AD5700超低功耗HART調(diào)制解調(diào)器專門針對(duì)此用途而開發(fā)。

現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的最后一個(gè)主要元件是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在工業(yè)4.0的場(chǎng)景中，這個(gè)器件也必須具有低功耗和高集成度。DAC是整個(gè)電路的關(guān)鍵組成部分，要盡量將周邊器件集成到DAC中，而不是占用更多PCB空間。為整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表供電的線性調(diào)節(jié)器就是一個(gè)例子。它還可以與PLC通信，從而執(zhí)行儀表的控制和監(jiān)控。AD5421是一個(gè)可與HART調(diào)制解調(diào)器很好地協(xié)同工作的DAC。

本文所描述的信號(hào)鏈?zhǔn)羌嫒莨I(yè)4.0的環(huán)路供電型現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的一種可能設(shè)計(jì)，可用于壓力或溫度測(cè)量。這個(gè)智能變送器可用于智能監(jiān)測(cè)、控制和反饋，特別適合于滿足小尺寸空間和低功耗要求。ADI公司的精選模塊的能夠滿足當(dāng)前和未來的新挑戰(zhàn)。

圖3. 參考電路的原理圖（上圖）和實(shí)物圖片示意圖（下圖）。