作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了充分發(fā)揮工業(yè) 4.0 的潛力，設(shè)計(jì)人員需要從惡劣環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸?shù)?a href="http://m.1cnz.cn/v/tag/8966/" target="_blank">控制系統(tǒng)。雖然已經(jīng)有了實(shí)現(xiàn)這一愿景的關(guān)鍵技術(shù)，但設(shè)計(jì)人員在尋找和實(shí)現(xiàn)有效解決方案時(shí)一直是孤軍奮戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員需要解決方案來簡化互聯(lián)、智能的現(xiàn)場儀表的實(shí)現(xiàn)，從而完成加工行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

本文介紹了 [Analog Devices]提供的一個(gè)全面解決方案，該解決方案可有效滿足對互聯(lián)、智能現(xiàn)場儀表日益增長的需求。

現(xiàn)場儀器依賴于四個(gè)關(guān)鍵功能

在工業(yè)自動(dòng)化部署中，現(xiàn)場儀表包括一系列信號處理設(shè)備，確保現(xiàn)場終端傳感器和執(zhí)行器與用于管理這些設(shè)備及其數(shù)據(jù)的主機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)和控制交換。在典型應(yīng)用中，這些儀器需要支持四種關(guān)鍵功能：

• 提供接口與通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 連接的傳感器或執(zhí)行器對接
• 提供用于信號調(diào)節(jié)和終端設(shè)備控制的微控制器單元 (MCU)
• 提供儀器運(yùn)行和安全所需的電源、隔離和監(jiān)控功能
• 為可靠、安全地交換數(shù)據(jù)和控制信息所需的各種連接選件提供接口

通過尋找所需的 ADC、MCU、電源和連接器件，為每個(gè)基于特定傳感器或執(zhí)行器的應(yīng)用提供支持，設(shè)計(jì)人員可解決典型現(xiàn)場儀表的這些功能要求（圖 1）。

圖 1：在打造現(xiàn)場儀器時(shí)，通過使用現(xiàn)有的 ADC、DAC、MCU 和其他支持器件，設(shè)計(jì)人員即可解決獲取傳感器數(shù)據(jù)或控制變送器的基本要求。（圖片來源：Analog Devices）

隨著工業(yè) 4.0 帶來更多重大挑戰(zhàn)，現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)人員面臨著一系列不斷增加的要求，即要在繼續(xù)提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高的邊緣智能、安全性和保障性。

工業(yè) 4.0 推動(dòng)對更先進(jìn)功能的需求

在傳感器或執(zhí)行器接口上，高分辨率、高帶寬傳感器的數(shù)量和種類越來越多，因此需要有效的模擬前端 (AFE) 解決方案。在大量傳感器信號采集和調(diào)節(jié)需求的推動(dòng)下，這些儀器的處理要求也相應(yīng)提高。此外，為實(shí)現(xiàn)更高的邊緣智能，需要能夠在邊緣高效執(zhí)行人工智能 (AI) 算法的先進(jìn)處理器，以提高現(xiàn)場儀器的效率并增強(qiáng)工業(yè)安全。鑒于面對的威脅越來越多，這些工具的安全仍然至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的 4-20 毫安 (mA) 電流環(huán)路設(shè)備通常可為儀表提供每秒 1.2 千比特 (Kb/s) 的速率和低于 40 毫瓦 (mW) 的功率，與之相比，先進(jìn)現(xiàn)場儀表需要更高的數(shù)據(jù)帶寬和傳輸功率。10BASE-T1L 支持每秒 10 兆比特 (Mb/s) 的數(shù)據(jù)帶寬，在 0 區(qū)可提供最高 60 瓦或 500 毫瓦的功率，從而促進(jìn)了采用本質(zhì)安全的 Ethernet-APL（先進(jìn)物理層以太網(wǎng)）技術(shù)的使用。此外，10BASE-T1L/Ethernet-APL 還能通過單根雙絞線提供這種性能，同時(shí)還能重復(fù)使用已安裝的現(xiàn)有電纜。

即使工業(yè)系統(tǒng)提出了更高的通信要求，仍然需要支持傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表和新興的工業(yè) 4.0 應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)人員必須針對現(xiàn)有應(yīng)用（圖 2 棕色區(qū)域）和新型系統(tǒng)（圖 2 綠色區(qū)域）進(jìn)行智能的現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)。

[]圖 2：在設(shè)計(jì)智能現(xiàn)場儀表時(shí)，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是既要滿足新出現(xiàn)的功率和數(shù)據(jù)帶寬要求，又要支持現(xiàn)有的工業(yè)應(yīng)用。（圖片來源：Analog Devices）

利用 Analog Devices 的一套先進(jìn)器件，設(shè)計(jì)人員可以快速滿足現(xiàn)有和新出現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)對智能現(xiàn)場儀表的要求。

用全套設(shè)備滿足對先進(jìn)現(xiàn)場儀器的要求

典型的現(xiàn)場儀器必須滿足一系列要求。圖 3 為一個(gè)典型的壓力傳感器變送器，展示了設(shè)計(jì)人員如何在自己的應(yīng)用中輕松滿足這些要求。

圖 3：壓力傳感器變送器的高級設(shè)計(jì)展示了典型智能現(xiàn)場儀表對傳感器接口、處理器、電源和連接功能的基本要求。（圖片來源：Analog Devices）

在圖示壓力傳感器變送器設(shè)計(jì)中，信號鏈必須為電阻橋式壓力傳感器提供激勵(lì)電流，并測量傳感器對壓力做出反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的差壓。在圖 4 中，像 Analog Devices 的 [AD7124]或 [AD4130] AFE 這樣的單個(gè)集成器件，可通過作為具有數(shù)字輸出的完整多通道信號鏈的一部分提供激勵(lì)電流，從而簡化了傳感器接口。

[]圖 4：AD7124 AFE 提供了從大多數(shù)有源和無源傳感器生成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)所需的完整多通道信號鏈。（圖片來源：Analog Devices）

為了完善傳感器子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以使用 Analog Devices 的 [ADuCM36x] 系列 MCU 來管理 AFE 并執(zhí)行其他信號處理、校準(zhǔn)和補(bǔ)償。例如，設(shè)計(jì)人員可以使用 ADuCM36x MCU 的集成 24 位 ADC 轉(zhuǎn)換溫度傳感器的讀數(shù)，為電阻橋式傳感器提供溫度補(bǔ)償（圖 4）。

為了進(jìn)行更廣泛的處理和全面管理現(xiàn)場儀表，設(shè)計(jì)人員可以采用高性能的 [Arm?] Cortex?-M4 MCU，如 Analog Devices 的 [MAX32675] 或 [MAX32690]，而新型 AI 微控制器，如多次獲獎(jiǎng)的 MAX78000 系列，可確保在邊緣以最高效率執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。高性能 MCU 通過 Analog Devices 的 [ADUM1440]數(shù)字隔離器與傳感器子系統(tǒng)隔離，負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場儀器操作、附加外設(shè)和連接。

這些 MCU 專為工業(yè)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，可滿足不同的專業(yè)應(yīng)用要求。例如，MAX32675 非常適合 4-20 mA 電流環(huán)路應(yīng)用，而 MAX32690 則為無線應(yīng)用集成了先進(jìn)的低能耗藍(lán)牙 5.2 (BLE) 無線電以及足夠的存儲空間，以支持 Profinet 等大型通信棧。這兩款處理器通過提供集成的真隨機(jī)數(shù)生成器、高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 引擎、安全的非易失性密鑰存儲和安全引導(dǎo)功能，解決了日益增長的安全問題。

為了給現(xiàn)場儀表中的器件提供穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)人員通常會采用低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器（如 Analog Devices 的 [ADP162]）以及 DC-DC 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器（如 Analog Devices 的 [ADP2360]）。確保為處理器子系統(tǒng)提供正確的供電電壓，對于在電氣噪聲環(huán)境中工作的智能現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)至關(guān)重要。利用 Analog Devices 的 [ADM8323] 監(jiān)控器，設(shè)計(jì)人員可以確保供電電壓保持在預(yù)設(shè)電壓閾值之上。

在上電、掉電和欠壓事件期間，ADM8323 會發(fā)出一個(gè)信號，將 MCU 保持在復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)電源恢復(fù)到閾值電平以上時(shí)，ADM8323 釋放復(fù)位。此時(shí)，支持安全引導(dǎo)功能的 MCU（如 MAX32675 和 MAX32690）會在繼續(xù)執(zhí)行之前確認(rèn)程序代碼的真實(shí)性。為了確認(rèn)代碼執(zhí)行是否正常，設(shè)計(jì)人員可以使用 ADM8323 的窗口式集成看門狗定時(shí)器。

獲取傳感器數(shù)據(jù)和可靠地執(zhí)行代碼是智能現(xiàn)場儀表運(yùn)行的基本要求。在應(yīng)用層面，可靠的通信至關(guān)重要。多年來，智能連接現(xiàn)場儀表一直依賴于 4-20 mA 電流環(huán)路設(shè)備，并使用相位連續(xù)頻移鍵控 (FSK) HART 調(diào)制解調(diào)器協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)人員可使用 Analog Devices 的 [AD5421]4-20 mA DAC 和 [AD5700]HART 調(diào)制解調(diào)器，輕松支持現(xiàn)有的電流環(huán)路和 HART 協(xié)議接口。

工業(yè)自動(dòng)化解決方案需要更高的電壓等級和更大的帶寬，而早期的方法無法支持這些要求，因此需要像 10BASE-T1L 物理層標(biāo)準(zhǔn)這樣的連接選擇。設(shè)計(jì)人員可以使用 Analog Devices 的 [ADIN1100]或 [ADIN1110]快速實(shí)現(xiàn) 10BASE-T1L 連接。ADIN1100 為設(shè)計(jì)提供物理 (PHY) 層收發(fā)器，而 ADIN1110 則同時(shí)集成了 PHY 收發(fā)器和媒體訪問控制 (MAC) 接口，可與未集成 MAC 的低功耗處理器配合使用。

擴(kuò)展并增強(qiáng)現(xiàn)場儀器以滿足特殊要求

通過添加或替換一些組件，設(shè)計(jì)人員可以擴(kuò)展和增強(qiáng)圖 3 中相同的壓力傳感器設(shè)計(jì)，以針對特定應(yīng)用打造所需的聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場儀表。例如，電磁流量變送器的設(shè)計(jì)可能會使用相同的整體結(jié)構(gòu)，只是根據(jù)需要添加或移除一些組件（圖 5）。

圖 5：設(shè)計(jì)人員可以在重復(fù)使用現(xiàn)有現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)元件的同時(shí)，快速響應(yīng)新的傳感器接口要求，如圖中所示的電磁流量變送器所需的接口要求。（圖片來源：Analog Devices）

對于這種應(yīng)用，許多相同的組件可以滿足整體要求，但需要不同的傳感器接口。設(shè)計(jì)人員可以使用合適的儀表放大器（如 Analog Devices 的 [AD8422] DC-DC 穩(wěn)壓器和 [ADuM4121] 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器來提供流量傳感器所需的恒流激勵(lì)源，從而滿足新的傳感器接口要求。

另有一些可用的構(gòu)件可滿足新出現(xiàn)的專門要求。例如，聯(lián)網(wǎng)的智能現(xiàn)場儀表可能需要加密和認(rèn)證功能，以保護(hù)數(shù)據(jù)不被泄露，并要確保從主機(jī)傳遞到儀表的控制指令的完整性，從而滿足最新的 IEC 62443 要求。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員可以添加 Analog Devices 的超低功耗 [MAXQ1065]安全協(xié)處理器，以計(jì)算用于 AES 信息加密的會話密鑰。

結(jié)語

先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用以智能現(xiàn)場儀表的功能為基礎(chǔ)，可支持更多的傳感器和執(zhí)行器。為了有效地設(shè)計(jì)這些儀器，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以利用全套設(shè)備來支持更苛刻的傳感器接口、處理器、電源和連接要求。