作為工業(yè)過程控制系統(tǒng)的“千里眼、順風(fēng)耳”，可在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度、壓力、流量、液位、位置、角度、酸堿度（pH）、含氧量、氣體探測(cè)、腐蝕情況等等這些過程控制變量的儀器儀表或智能變送器（傳感器）和其他工業(yè)系統(tǒng)一樣，正在朝著更高的效率、更佳的魯棒性、更高的通道密度、更快的速度向前發(fā)展，這相應(yīng)促進(jìn)了半導(dǎo)體器件新技術(shù)方案的發(fā)展。

具體來說，如今的儀表和變送器外殼正變得越來越小，因此對(duì)半導(dǎo)體器件提出了如下一些要求：1.需要更小的器件；2.需要更高的集成度；3.需要額定溫度更高的器件；4.需要效率更高的器件；5.安全要求更高的器件—診斷；6.處理要求越來越高，MCU既需要功耗更低也需要具備更強(qiáng)的處理能力。

圖1：典型的工業(yè)過程控制系統(tǒng)的傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表通常是通過傳感器感知現(xiàn)場(chǎng)一些物理以及化學(xué)的變量，并將信息發(fā)送至PLC控制模塊（如圖1左下側(cè)所示）。一般變送器分為兩種類型：一類是環(huán)路供電型，采用兩線式連接，同時(shí)提供電源和通信，從控制室通過電流環(huán)路供電，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)傳送器，整個(gè)傳送器的工作電流必須小于3.2mA，而對(duì)于支持HART的變送器則必須小于2.7mA。另一類是非環(huán)路供電型，采用4線式連接，兩條用于電源，兩條用于通信，無功耗限制，用于無法從電流環(huán)路獲取足夠電源的情況。

兩線制的連接就是4mA到20mA的環(huán)路，儀表的電源和傳送的信息都是在這兩根線上提供的，通常規(guī)定的最小電壓是要≥12V，最小的工作電流必須小于4mA，這樣它的總可用功率就很小（《50mW），顯然符合工業(yè)過程控制系統(tǒng)對(duì)更高效率的發(fā)展需求。但這對(duì)半導(dǎo)體器件選擇和電路設(shè)計(jì)的低功耗提出了很高的要求，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中要求會(huì)更嚴(yán)格。

以環(huán)路供電壓力變送器為例，其信號(hào)鏈電路組成如圖2，輸入部分包括了儀表放大器、ADC、微處理器、MCU;輸出部分DAC驅(qū)動(dòng)是二環(huán)的輸出，并從環(huán)路上取得電，然后再把它變成電壓形成電源電路，同時(shí)還包括有LCD顯示人機(jī)界面、系統(tǒng)的整個(gè)時(shí)鐘等等。整個(gè)電路系統(tǒng)可用的功率必須要小于50mW，實(shí)際應(yīng)用中要求更嚴(yán)格，總系統(tǒng)工作電流必須小于4mA，包括傳感器/ADC/MCU/4mA至20mA電路電源，每種器件都要求消耗盡可能低的功耗。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)路供電儀器儀表的四大關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

圖2：現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表信號(hào)鏈——環(huán)路供電壓力變送器。

因此，回到文章開頭提到的，現(xiàn)在過程控制系統(tǒng)需要更小尺寸、更高集成度的度器件，其工作溫度范圍要更寬，效率更高，而且對(duì)安全性的要求也更高，處理器的能力要求更高、功耗需更低。在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域擁有40余年的領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)的ADI公司為環(huán)路供電的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表/變送器提供了滿足這些要求的優(yōu)秀半導(dǎo)體器件方案，本文將根據(jù)圖2信號(hào)鏈中的四大關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)需求和挑戰(zhàn)，逐一解析ADI方案的特色和優(yōu)勢(shì)。

一、低功耗Σ-Δ型內(nèi)核集成式模擬前端

適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端方面，集成了儀表放大器和高精度∑-△型ADC的低功耗AD779X系列是非常成功的產(chǎn)品系列，包括AD7791/92/93/94/95/96/97/98/99等9種型號(hào)。它們內(nèi)置一個(gè)低噪聲16位/24位Σ-Δ型ADC，其中含有3個(gè)/6個(gè)差分模擬輸入，利用片上的MUX來切換多路通道；還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號(hào)。它們還內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且也可采用一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓。其它片內(nèi)特性包括可編程激勵(lì)電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產(chǎn)生器。這幾乎就是在一顆芯片上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的模擬前端，只需極少的外圍芯片直接就可以去處理熱電阻或熱電偶的信號(hào)，適用于壓力傳感器或熱電偶傳感器（冷結(jié)補(bǔ)償）等應(yīng)用。

AD779X系列工作電流極低300μA至450μA），因而可實(shí)現(xiàn)極低的功耗；可以采用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設(shè)置（4SPS至500SPS）；同時(shí)具備卓越的失調(diào)和漂移規(guī)格，片上數(shù)字濾波器可實(shí)現(xiàn)50Hz和60Hz同時(shí)抑制。

二、更高集成度的精密模擬微控制器

除了分立的模擬前端片上系統(tǒng)，ADI公司還提供集成度更高的解決方案，把前端（像前面提到的多路復(fù)用器（MUX）、儀表放大器、ADC）再加上微控制器（也稱單片機(jī)），包括像時(shí)鐘看門狗、系統(tǒng)的診斷等功能全部集成在一起，即ADuCM360——它的內(nèi)核是ARM Cortex-M3。

圖3是ADuCM360系統(tǒng)框圖。ADuCM360是完全集成的3.9kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單芯片上集成雙核高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、32位ARM Cortex-M3微處理器和Flash/EE存儲(chǔ)器。在有線和電池供電儀器儀表應(yīng)用中，ADuCM360可設(shè)計(jì)為與外部精密傳感器直接連接。

圖3：精密模擬微控制器ADuCM360的系統(tǒng)框圖。

ADuCM360的模擬子系統(tǒng)由雙通道ADC組成，每個(gè)ADC均連接到一個(gè)靈活的輸入多路復(fù)用器。兩個(gè)ADC都可在全差分和單端模式下工作。其他的片內(nèi)ADC功能包括：雙通道可編程激勵(lì)電流源、診斷電流源和偏置電壓產(chǎn)生器AVDD_REG/2（900mV），可設(shè)置輸入通道的共模電壓。低端內(nèi)部接地開關(guān)可在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷外部電路（例如電橋電路）。

ADC包含兩個(gè)并聯(lián)的濾波器：一個(gè)sinc3或sinc4濾波器與sinc2濾波器并聯(lián)。Sinc3或Sinc4濾波器用于精密測(cè)量。sinc2濾波器用于快速測(cè)量和輸入信號(hào)的步進(jìn)變化檢測(cè)。

該器件集成一個(gè)1.2V低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，但在采用比例式測(cè)量配置時(shí)可配置成接受一或兩個(gè)外部基準(zhǔn)電壓源。片內(nèi)集成了可緩存外部基準(zhǔn)電壓輸入的選項(xiàng)。片內(nèi)還集成一個(gè)單通道緩沖電壓輸出DAC。

ADuCM360集成了一系列片內(nèi)外設(shè)，可以根據(jù)應(yīng)用需要通過微控制器軟件控制進(jìn)行配置。這些外設(shè)包括：UART、I2C和雙通道SPI串行I/O通信控制器、19引腳GPIO端口；兩個(gè)通用定時(shí)器；喚醒定時(shí)器及系統(tǒng)看門狗定時(shí)器。同時(shí)提供了一個(gè)帶6個(gè)輸出通道的16位PWM控制器。

低功耗自然也是ADuCM360的可圈可點(diǎn)之處，特別適合電池供電應(yīng)用。微控制器內(nèi)核可配置為普通工作模式，功耗290μA/MHz（包括flash/SRAM IDD）。在兩個(gè)ADC均打開（輸入緩沖器關(guān)閉）、PGA增益為4、一個(gè)SPI端口打開和所有定時(shí)器均打開時(shí)，系統(tǒng)總電流消耗可以達(dá)到1mA。另外，該器件通過直接編程控制可配置為許多低功耗工作模式，包括休眠模式（內(nèi)部喚醒定時(shí)器有效），此時(shí)能耗僅為4μA。在休眠模式下，諸如外部中斷或內(nèi)部喚醒定時(shí)器等外設(shè)可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運(yùn)行，同時(shí)仍然響應(yīng)外部異步或周期事件。

ADI還推出了基于ADuCM360配合ADP1720 LDO的環(huán)路供電變送器應(yīng)用參考設(shè)計(jì)CN0300以及評(píng)估板，這是一個(gè)提供4mA至20mA輸出的完整閉環(huán)精密模擬微控制器熱電偶測(cè)量系統(tǒng)，該電路稍作修改也可實(shí)現(xiàn)熱電阻的測(cè)量。

圖4：ADI公司4mA-20mA輸出的完整閉環(huán)精密模擬微控制器熱電偶測(cè)量系統(tǒng)參考板。

三、4mA-20mA接口輸出DAC：低功耗、小尺寸、高安全性

對(duì)于圖2信號(hào)鏈的環(huán)路供電4mA-20mA輸出環(huán)節(jié)，ADI公司推薦非常適合的高性能、低功耗集成式低成本DAC解決方案——AD5421。相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性方案，其功耗可節(jié)省50%，占板空間可節(jié)省高達(dá)55%。AD5421保證16-bit單調(diào)性，典型條件下，積分非線性為0.0015%，失調(diào)誤差為0.0012%，增益誤差為0.0006%。它采用28引腳TSSOP封裝，額定溫度范圍為-40℃至+105℃工業(yè)溫度范圍。

AD5421內(nèi)置一路穩(wěn)壓輸出，用于為自身及變送器中的其它器件供電。此調(diào)節(jié)器提供1.8V至12V的調(diào)節(jié)輸出電壓，可支持低電壓輔助系統(tǒng)元件。該器件還內(nèi)置1.22V和2.5V基準(zhǔn)電壓源，因而不需要分立調(diào)節(jié)器和基準(zhǔn)電壓源。

AD5421可以結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)HART FSK協(xié)議通信電路使用，而且額定性能不會(huì)受到影響。高速串行接口能夠以30MHz速率工作，并且允許通過一個(gè)SPI兼容型三線式接口與常用的微處理器和微控制器簡(jiǎn)單相連。

在圖2所示信號(hào)鏈中，AD5421可發(fā)揮增強(qiáng)的故障檢測(cè)功能：它對(duì)SPI的接口有一個(gè)看門狗定時(shí)器，SPI接口可有分組錯(cuò)誤的校驗(yàn)，還有環(huán)路電流、電壓的監(jiān)測(cè)，并可對(duì)片上本身溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還有就是可以進(jìn)行電源電壓的監(jiān)控，確保了系統(tǒng)的安全和可靠性。

四、通過HART通信實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的測(cè)量和診斷功能

對(duì)于當(dāng)今的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，還有一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就是HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道）通信。隨著全球工業(yè)過程控制系統(tǒng)朝著需要更多診斷功能、需要進(jìn)行資產(chǎn)管理、需要更多通信的趨勢(shì)發(fā)展，HART逐步成為是一個(gè)通行的準(zhǔn)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，在傳統(tǒng)單向的、單通道、診斷功能有限（正常/故障）的4mA-20mA工業(yè)總線上增加一個(gè)HART選項(xiàng)，通過調(diào)頻的方式，疊加數(shù)字的信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的測(cè)量能力和雙向診斷功能（圖5）。

圖5：HART通信在過程控制領(lǐng)域方興未艾。

傳統(tǒng)上做變送器/現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的系統(tǒng)廠商已經(jīng)普遍在一些高端模塊上整合了HART，近年來的趨勢(shì)是做控制器、PLC以及DCS的廠商也開始在自己的IO模塊、控制器模塊上去加HART，以便提供更好的系統(tǒng)診斷和通訊的功能。

ADI公司的AD5700是一款能很好滿足HART標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格要求的集成式低功耗HART FSK半雙工調(diào)制解調(diào)器。AD5700是一種單芯片解決方案，集成所有必要的濾波、信號(hào)檢測(cè)、調(diào)制、解調(diào)和信號(hào)生成功能，還集成了全溫度范圍內(nèi)都能保證精度為0.5%的精密振蕩器，并包含精密載波檢測(cè)電路并采用標(biāo)準(zhǔn)UART接口，和業(yè)界同類產(chǎn)品相比，可減少60%的外部元件。該器件在做解調(diào)模式時(shí)最低只有178μA，還帶基準(zhǔn)源，功耗相比同類產(chǎn)品降低了38%，因此是低功耗環(huán)路供電型應(yīng)用的最佳選擇。

AD5700采用小型4mm x 4mm外殼設(shè)計(jì)，尺寸減小了75%；該器件的工作電源電壓最低可以在1.71V，其他很多產(chǎn)品到3.3或者3.35V以下就無法工作了；發(fā)射波形為相位連續(xù)1200Hz和2200Hz正弦波。

圖6：DEMO-AD5700-D2Z—適合工業(yè)HART通信的ADI完整解決方案。

如圖6，ADI新推出了基于AD5700的具有HART接口的完整4mA至20mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器評(píng)估板。該方案已通過了HART基金會(huì)的測(cè)試認(rèn)證。因?yàn)镠ART基金會(huì)規(guī)定不提供商業(yè)用途HART的堆棧，所以ADI也不提供HART堆棧，只計(jì)劃要公布簡(jiǎn)化實(shí)例代碼，包括單片機(jī)ADuCM360（配置，PGA，2× ADC，Vref…）、AD5421（SPI）、AD5700（UART）外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，還提供一條HART的命令，但不是HART堆棧（可以去找第三方提供）。

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