【導(dǎo)讀】在現(xiàn)代工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)4-20mA變送器正經(jīng)歷智能化、微型化變革。通過采用高度集成的系統(tǒng)級芯片（SoC）方案，新一代智能變送器將模擬前端（AFE）、高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、微處理器核心及HART?通信協(xié)議模塊融合于單一芯片。這種集成化設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的精準(zhǔn)線性化、溫度漂移補(bǔ)償與實(shí)時(shí)診斷，更關(guān)鍵的是大幅縮減了設(shè)備體積與功耗，使高性能、帶數(shù)字通信能力的智能變送器得以部署于空間受限的現(xiàn)場儀表中，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）邊緣層的數(shù)據(jù)采集提供了更優(yōu)解決方案。
摘要
在現(xiàn)代工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)4-20mA變送器正經(jīng)歷智能化、微型化變革。通過采用高度集成的系統(tǒng)級芯片（SoC）方案，新一代智能變送器將模擬前端（AFE）、高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、微處理器核心及HART?通信協(xié)議模塊融合于單一芯片。這種集成化設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的精準(zhǔn)線性化、溫度漂移補(bǔ)償與實(shí)時(shí)診斷，更關(guān)鍵的是大幅縮減了設(shè)備體積與功耗，使高性能、帶數(shù)字通信能力的智能變送器得以部署于空間受限的現(xiàn)場儀表中，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）邊緣層的數(shù)據(jù)采集提供了更優(yōu)解決方案。
簡介
在工業(yè)過程監(jiān)控應(yīng)用中，4-20 mA電流環(huán)路是一種用于發(fā)送溫度和壓力等傳感器信息的常用技術(shù)。當(dāng)信息必須長距離傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置時(shí)，電流環(huán)路特別有用，因?yàn)樾盘?hào)對噪聲相對不敏感，并且可以從遠(yuǎn)程供電電壓中獲取電力。本文將簡要介紹4-20 mA系統(tǒng)、其發(fā)展歷程和相關(guān)芯片組，該芯片組通過有效減少外部元件數(shù)量來縮小整體解決方案的尺寸并提高可靠性。
4-20 mA傳感器概述與發(fā)展歷程
在簡單的4-20 mA系統(tǒng)中（圖1），傳感器的輸出電壓先轉(zhuǎn)換為成比例的電流，其中4 mA表示傳感器的零電平輸出，20 mA表示滿量程輸出。遠(yuǎn)端接收器將4-20 mA電流轉(zhuǎn)換回電壓，然后由計(jì)算機(jī)或顯示模塊進(jìn)一步處理。
圖1.簡單的4-20 mA系統(tǒng)
為了滿足行業(yè)需求，工程師開發(fā)出了智能變送器（圖2）。該器件采用微處理器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)理。智能變送器可以對增益和偏移進(jìn)行歸一化處理，通過將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)對傳感器進(jìn)行線性化，使用微控制器中的算術(shù)算法處理信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，并將結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)電流沿環(huán)路傳輸。
圖2.智能變送器
儀表經(jīng)過校準(zhǔn)并正常工作時(shí)，其輸出信號(hào)應(yīng)保持在4 mA至20 mA之間，但有時(shí)候，過程條件會(huì)偏離正常運(yùn)行條件。在這種情況下，符合標(biāo)準(zhǔn)的變送器最多可輸出20.5 mA。此輸出信號(hào)超出范圍，位于飽和區(qū)域。與此類似但較小的飽和區(qū)域位于測量范圍的底部。
智能測量器件可以檢測內(nèi)部故障，例如傳感器或轉(zhuǎn)換器故障。發(fā)生這種情況時(shí)，符合標(biāo)準(zhǔn)的儀表的微處理器會(huì)將輸出信號(hào)設(shè)置為3.6 mA或21.0 mA，具體取決于用戶如何設(shè)置故障安全模式。
故障信息的信號(hào)電平（圖3）按照NAMUR NE43建議進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化1。
圖3.NAMUR NE43建議
因此，為變送器電子元器件供電的電流限制在3.5 mA左右，為該應(yīng)用選擇器件時(shí)必須認(rèn)真考慮這一點(diǎn)。
另一項(xiàng)改進(jìn)是添加了數(shù)字通信功能，它與4-20 mA信號(hào)共用雙絞線。這種組合讓控制和診斷信號(hào)可以隨傳感器數(shù)據(jù)一起傳輸。
通信標(biāo)準(zhǔn)是HART協(xié)議，它采用頻移鍵控(FSK)，其中位1和位0分別由1200 Hz和2200 Hz的頻率表示。這些頻率的正弦波疊加在傳感器的直流模擬信號(hào)上，從而同時(shí)提供模擬和數(shù)字通信（圖4）。FSK信號(hào)的平均值始終為零，因此4-20 mA模擬信號(hào)不受影響。
圖4.同時(shí)進(jìn)行模擬和數(shù)字通信
HART命令集（圖5）為所有現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一提供一致的通信，其中包括三類命令：通用命令、常規(guī)命令和器件特定命令。所有采用HART協(xié)議的器件都必須能識(shí)別和支持通用命令，例如讀取主變量和單位。常規(guī)命令為通過許多器件實(shí)現(xiàn)的功能，例如校準(zhǔn)、自檢和多變量讀取。器件特定命令代表每個(gè)現(xiàn)場器件所獨(dú)有的功能。
圖5.HART傳感器提供的信息示例
每個(gè)HART器件都有一個(gè)38位地址，由制造商ID碼、器件類型代碼和器件唯一標(biāo)識(shí)符組成。
超低功耗4-20 mA傳感器變送器
MAX12900是一款包含10個(gè)構(gòu)建模塊的集成變送器（圖6）。
從左邊開始，傳感器接收微控制器的數(shù)據(jù)，形成粗調(diào)(PWMAP)和精調(diào)(PWMBP)兩種PWM信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過緩沖和求和處理后，通過低通濾波器（OP1模塊）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓電平表示。在圖6的示例中，粗調(diào)增益設(shè)置為1 (R5/R3)，而精調(diào)增益設(shè)置為1/66 (R5/R4)。OP3與精密基準(zhǔn)電壓和外部MOSFET (Q1)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精密電壓控制電流源。在此應(yīng)用示例中，第二個(gè)通用放大器(OP2)用于測量電流環(huán)路，并向微控制器提供反饋。兩個(gè)比較器用于監(jiān)控電源電壓和內(nèi)部LDO電壓。電源時(shí)序控制器確保系統(tǒng)正確啟動(dòng)，并在LDO輸出達(dá)到最終值的90%時(shí)產(chǎn)生電源良好信號(hào)，其輸出值由分壓器設(shè)置。
集成AFE和HART調(diào)制解調(diào)器的超低功耗Arm Cortex-M4F
MAX32675C（圖7）是一款高集成度混合信號(hào)、超低功耗微控制器，適用于工業(yè)應(yīng)用。它基于超低功耗Arm? Cortex?-M4，帶有浮點(diǎn)單元、一組豐富的數(shù)字外設(shè)和一個(gè)模擬前端(AFE)。
AFE集成了低功耗HART調(diào)制解調(diào)器、兩個(gè)12通道Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、可編程增益放大器(PGA)以及12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。
圖6.集成變送器
圖7.高集成度混合信號(hào)微控制器
集成AFE
MAX32675C提供兩個(gè)Σ-Δ ADC，它們共享多路復(fù)用的12個(gè)模擬輸入，這些輸入可配置為差分或單端。每個(gè)ADC前面都有一個(gè)PGA，PGA具有8個(gè)可用增益，范圍為1到128。PGA輸出可由外部配置，支持外部濾波。有多個(gè)基準(zhǔn)輸入可用，以提高靈活性。集成的50 ppm基準(zhǔn)電壓可編程為1.024 V、1.5 V、2.048 V和2.5 V。傳感器可使用16級可編程電流源或固定電壓源(VDD/2)進(jìn)行偏置（見圖8）。
圖8.集成AFE
ADC特性
ADC可以按需自動(dòng)校準(zhǔn)其內(nèi)部失調(diào)和增益誤差以及系統(tǒng)失調(diào)和增益誤差，并將校準(zhǔn)值存儲(chǔ)在專用寄存器中。PGA有8個(gè)獨(dú)立的增益校準(zhǔn)寄存器。
自校準(zhǔn)程序不包括外部影響，例如驅(qū)動(dòng)輸入引腳的源信號(hào)，這些影響會(huì)改變系統(tǒng)的失調(diào)和增益。
系統(tǒng)校準(zhǔn)通過向選定的輸入引腳提供零電平信號(hào)或滿量程信號(hào)，并啟動(dòng)系統(tǒng)零電平或系統(tǒng)增益校準(zhǔn)命令，來使能系統(tǒng)零電平和系統(tǒng)滿量程校準(zhǔn)。
作為自動(dòng)生成系統(tǒng)校準(zhǔn)值的替代方案，可以將值直接寫入內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器。
依據(jù)公式1，校準(zhǔn)值會(huì)被應(yīng)用于存儲(chǔ)在ADC_DATA寄存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果：
其中：
ADC_DATA是ADC數(shù)據(jù)結(jié)果目標(biāo)寄存器。
Conversion是應(yīng)用校準(zhǔn)結(jié)果之前的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果。
ADC_SELF_GAIN [1:128]是所選增益的內(nèi)部增益校正值。
ADC_SELF_OFF是內(nèi)部失調(diào)校正值。ADC_SYS_GAIN是系統(tǒng)增益校正值。
ADC_SYS_OFF是系統(tǒng)失調(diào)校正值。
可配置數(shù)字濾波器支持選擇陷波頻率和數(shù)據(jù)速率。
同步50 Hz/60 Hz抑制有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器在16 SPS時(shí)提供對50 Hz和60 Hz遠(yuǎn)超過90 dB的抑制，并顯著抑制其諧波。輸出速率更快時(shí)（40 SPS），50 Hz和60 Hz FIR濾波器設(shè)置針對這些頻率的衰減水平會(huì)降低。
sinc4設(shè)置支持四階SINC濾波器，該濾波器能夠以高達(dá)1989 SPS（24位精度）的連續(xù)數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，或以15360 SPS（16位精度）的連續(xù)數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。
時(shí)序控制器是一項(xiàng)強(qiáng)大的功能，可以將一系列命令編程到序列緩沖器寄存器中（圖9）?？梢詫⑿蛄械耐瓿膳渲脼楫a(chǎn)生中斷。
有8個(gè)寄存器用于存儲(chǔ)ADC轉(zhuǎn)換輸出，以供時(shí)序控制器使用。
圖9.時(shí)序控制器使用示例
圖10.AFE配置為熱電偶測量
還有8個(gè)下限/上限比較閾值寄存器與這8個(gè)轉(zhuǎn)換寄存器相關(guān)聯(lián)。比較結(jié)果存儲(chǔ)在狀態(tài)寄存器中。
AFE配置為熱電偶
測量
AFE可以配置為利用熱電偶測量溫度（圖10）。熱電偶電壓利用精密基準(zhǔn)電壓來測量，同時(shí)必須使用單獨(dú)的傳感器來測量冷端的溫度。這可以通過電阻溫度檢測器(RTD)之類的器件來測量。
對于熱電偶測量，根據(jù)所用的熱電偶類型將PGA增益設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹?。K型熱電偶產(chǎn)生的最大電壓為54 mV，使用32倍的PGA增益可產(chǎn)生約1.7 V輸出。內(nèi)部電壓發(fā)生器將熱電偶偏置至VDD/2 (AIN5)。
采用RTD進(jìn)行冷端溫度測量時(shí)，電流源IDAC0設(shè)置為在AIN10上提供220 μA。電流將流過RTD和基準(zhǔn)電阻RREF，在RREF上產(chǎn)生800 mV的電壓降，用作測量的基準(zhǔn)電壓。由于流過RTD和RREF的電流相同，因此轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)將是RTD電阻與REF的比率。
HART調(diào)制解調(diào)器
該器件集成了1200 Hz/2200 Hz FSK信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)功能。由于集成了信號(hào)處理功能，調(diào)制解調(diào)器（圖11）功耗非常低，只需要少量外部元件。輸入信號(hào)由ADC采樣，隨后由數(shù)字濾波器/解調(diào)器處理。調(diào)制器提供純凈的信號(hào)，頻率在1200 Hz到2200 Hz之間切換，且相位保持連續(xù)。SPI接口用于配置外設(shè)寄存器，通信則采用UART。
圖11.集成HART調(diào)制解調(diào)器
圖12.智能變送器實(shí)現(xiàn)
智能變送器實(shí)現(xiàn)
借助MAX12900和MAX32675C的組合，僅需少量外部元件就能設(shè)計(jì)智能變送器（圖12），從而縮小整體解決方案的尺寸。MAX32675C采用8 mm × 8 mm封裝，而MAX12900采用5 mm × 5 mm封裝。
結(jié)論
MAX12900和MAX32675C的組合能夠給4-20 mA智能變送器帶來三重好處，包括縮小系統(tǒng)尺寸；讓系統(tǒng)支持多種類型傳感器，提升靈活性；以及有效改善整體系統(tǒng)可靠性。多個(gè)基準(zhǔn)輸入和雙ADC增加了系統(tǒng)冗余。比較器和備用運(yùn)算放大器可以監(jiān)控電源電壓和輸出電流等關(guān)鍵參數(shù)，從而簡化SIL實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
1 NAMUR—User Association of Automation Technology in Process Industries。
推薦閱讀：
控制信號(hào)的“蒲公英”：中間繼電器如何實(shí)現(xiàn)安全的多路分發(fā)與隔離
為什么你的PLC輸出點(diǎn)燒了？可能是中間繼電器沒選對
揭秘氫能“心臟”：電解直流電源，如何泵動(dòng)綠色未來？
