模擬和混合信號 IC 的進步極大地促進了工廠生產力、效率、質量和安全性的空前組合。這些 IC 可實現更高的系統性能、越來越精確的測量、可靠的通信、更低的功耗和更高的安全級別。它們是工廠系統的核心，可快速處理大量基于傳感器的測量，精確控制材料處理、加工步驟、功率和溫度以及操作安全性。

當計算資源集成到這些模擬和混合信號IC中時，工廠可以部署分布式智能模型。工廠數據現在可以更輕松地與業務管理系統對接。這種集成工廠模型包括下面描述的許多技術和技術，使工廠信息在全球范圍內實時提供給供應鏈、銷售、物流和高級管理層。

分布式智能

集成工廠利用分布式智能，將計算資源和決策從控制室推向廣泛分散的流程機械。系統架構的這種轉變幾乎實時地向管理人員提供數據。它消除了數據處理瓶頸。它允許管理層部署更多的測量和控制節點，并對更大的過程數據集采取行動。

分布式智能對工廠車間的好處實際上可以概括為一個概念：正常運行時間。工廠將減少測量到控制的反饋延遲;體驗更好的流程效率、吞吐量、在制品（在制品）狀態和機器利用率的報告;并降低維護成本。

然而，對公司的好處遠遠超出了工廠車間。集成工廠系統提供最新的工作流程數據，當與供應鏈智能相結合時，允許運營優化其調度和庫存管理。全球銷售和分銷管理可以根據精確和及時的工廠生產力數據采取行動。管理層可以更好地優化生產線平衡和產能利用率。

這些諸多優勢顯然依賴于復雜的軟件工具，以實現最高抽象級別的優化操作。但是，如果沒有準確、高效和強大的電子設備來實現基于傳感器的測量、控制功能和能源管理任務，軟件系統就無法提供這些結果。

集成 IC 增強傳感器測量

混合信號IC使信號調理和數字化功能更接近通常分布廣泛的測量點。傳感器節點的數字化通過降低噪聲敏感性來提高控制數據質量。溫度測量是最常見的過程控制輸入之一。原料和其他原材料、烘箱和儲罐等加工環境以及驅動電機和成型機等機械的溫度都會影響制造質量和系統可靠性。

溫度測量通道必須提供負載開路檢測，以便在溫度傳感器或其連接之一斷開時，系統可以強制進入安全控制狀態。例如，MAX31855等信號調理器讀取熱電偶，進而監測加工爐的溫度。如果檢測到任何傳感器故障，信號調節器會在數字數據流中報告錯誤代碼，以便系統可以快速響應并切斷烤箱電源，并向監控級系統監視器報告故障。

然而，存在一個挑戰。溫度傳感器，如熱電偶和電阻溫度器件（RTD），輸出電壓的變化量級僅為每攝氏度10微伏。因此，信號調理器必須準確分辨與溫度測量值相對應的小電壓。如果信號調理器正在測量RTD，它們還必須以低噪聲電流源的形式提供精確的激勵信號。RTD將激勵電流轉換為與其溫度成比例的電壓。激勵電流限制在相對較小的值，以防止傳感器因 I2R 耗散。

將傳感器激勵、信號調理、數字化儀、故障檢測和保護電路集成到單個單片器件中，極大地簡化了測量通道或通道集群的設計。MAX31855等混合信號IC基本上構成單芯片測量子系統，提供從傳感器到數字控制器的指定參數性能;它們消除了 PCB 布局的復雜性，降低了對電噪聲源的敏感性，并顯著提高了功能密度（圖 1）。總之，模擬集成可提高系統性能和過程質量。

圖1.完整的熱電偶數字轉換器包括冷端補償和故障檢測。

供您參考

在沒有單個IC滿足一組設計要求的情況下，經過測試的參考設計可以加快選擇協同工作的組件的過程，以最好地滿足最終設備設計目標，縮短上市時間并降低設計風險。

參考設計包括原理圖、BOM（物料清單），并且在大多數情況下，可與樣品板、布局文件和支持軟件一起提供。除了信號處理和電流隔離之外，參考設計還可以實現電源管理功能。它們還可以集成板載微控制器，并提供軟件以支持順序處理和控制接口并保護應用。參考設計非常有助于減少經常花費在調試原理圖或軟件錯誤上的時間，以及可能降低精密模擬性能的布局問題。

例如，集成的 Santa Fe 參考設計為電壓或電流環路輸入實現了四輸入模擬前端 （AFE）（圖 2）。該設計為電源和輸出數據提供電氣隔離。

您還可以組合參考設計。例如，蒙特雷電流/電壓輸出調理器子系統和圣達菲可以組成一個完整的環路供電溫度變送器和高精度的模擬前端/接收器。

圖2.華輝國際參考設計（頂部）實現了具有 16 位分辨率和板載電流隔離的四通道 AFE，如框圖（底部）所示。

駕駛安全

自動化系統輸出控制閥、執行器、電磁閥、電機等。系統設計必須確保這些機電設備即使在故障條件下也能安全運行。考慮當電源質量事件迫使其微控制器重新啟動時，機械臂處于運動狀態。系統不允許手臂在其控制回路中斷的情況下繼續運動，因此驅動電路必須檢測故障并處于安全狀態。電機驅動器必須過渡到安全扭矩狀態。閥門必須根據情況關閉或打開。通常，所有執行器都必須對生產線中的材料、生產設備以及最重要的是工廠車間的操作員保持安全的狀態。

專為工業應用設計的模擬和數字輸出器件在支持這些安全要求時簡化了控制器硬件設計。例如，像MAX5725這樣的多通道DAC（數模轉換器）具有集成的可編程看門狗定時器，當DAC收到有效命令時復位。如果看門狗由于通信故障而超時，則看門狗處于活動狀態的通道將恢復到預定的可編程輸出電位。此功能可確保在主機處理器掛起或通信鏈路發生故障時，DAC 控制下的執行器、閥門、伺服或其他硬件將處于安全狀態。

在翻譯中找到

許多工業應用面臨的挑戰是將來自傳感器和開關的24V二進制信號轉換為消耗很少能量的低電平邏輯兼容電平。電平轉換和電氣隔離每個信號的系統成本可能很高。使用板載微控制器對輸入進行串行化和隔離以進行監控，大大簡化了接口設計，但要求該過程能夠承受高輸入電壓。與傳統方法相比，這些設計還必須顯著降低功耗;如果要將設計縮小到單個節省空間的IC，則必須集成它們。

如今，像MAX31911這樣的工業、多通道、數字輸入轉換器/串行器可將多個高壓輸入通道轉換、調理和串行化為可編程邏輯控制器（PLC）和相關設備中的微控制器的邏輯兼容信號。與分立電阻-pider方法相比，這些轉換器/串行器IC可將功耗降低60%。

許多應用需要電流隔離，串行器可以將必要的隔離通道數量減少到三個。例如，新型MAX31913轉換器/串行器提供SPI菊花鏈，因此來自多個串行器的大量輸入可以共享相同的三個隔離信號。為了確保從并行到串行轉換的數據完整性，轉換器/串行器IC集成了循環冗余校驗（CRC）（圖3）。

圖3.MAX31913工業、八通道、數字輸入轉換器/串行器允許來自傳感器和開關的24V信號直接與低電平CMOS邏輯接口。

到鐵軌...和超越

為工業電子產品供電已成為系統設計中越來越具有挑戰性的一部分。信號調理和數據處理模塊所需的電壓軌數量加劇了本已復雜的電氣環境;電源軌要求節點或節點集群與控制系統之間實現電氣隔離。再加上通過各種功率控制方法實現的日益復雜的節能方法，電源子系統的成本和復雜性只會進一步增加。

考慮到工業信號電平，需要更高的電壓軌（如±25V或更高）是相當普遍的。這種高壓要求專門針對與外部工業世界接口的前端和后端電路。相比之下，服務于處理器和其他數字電子設備的其他電源軌在低得多的電壓下工作。

久經考驗的超越軌?MAX14778集成的技術通過將模擬和混合信號功能的信號范圍擴展到正負電源電位之外，消除了其中一些較高電壓軌。因此，單單極性電源是許多功能的唯一要求，否則需要兩個甚至三個電源軌（圖 4）。

圖4.片內電荷泵允許MAX14778實現多協議共享等功能，信號高達±25V，工作在3.0V至5.5V單電源。

低損耗配電

工業客戶和系統制造商越來越注意到在大型分布式系統中最大限度地減少能量損失的必要性。一個領域，我2直流配電饋電中的R損耗由MAX17503等高壓負載點DC-DC轉換器解決。這些轉換器直接在高達 60V 的輸入下工作，并在低電壓下為數字、模擬和混合信號負載提供單級轉換。

如今，24V通常用于PLC背板，12V用于板載配電。如果全板使用48V，與12V相比，這可以將電流降低16倍，相應地，PCB銅損降低50倍。此外，通過移除中間DC-DC轉換級，這些高輸入電壓轉換器釋放了寶貴的電路板空間，并消除了間隙級的成本和能量損失。由于其同步開關架構，它們可以減少銅損、降低連接器觸點電流額定值并提高可靠性，同時保持低溫運行（通常溫度降低 <>%）。

確保工廠安全

采用分布式智能設計的系統利用常見的低成本通信硬件接口和數據傳輸方法，如以太網和互聯網協議。當今的趨勢是從專有通信方案轉向物聯網（IoT）。物聯網承諾在工業現場和全球站點之間提供一種低成本的機器對機器（M2M）通信方式。

然而，這些進步使系統漏洞暴露在網絡攻擊之下。最有效的保護在每個節點和每個接口上都建立了基于硬件的安全性，從而在整個系統中嵌入了安全功能，以防止漏洞。這通常是廣泛分散、暴露的系統的整體解決方案的關鍵部分。通過這種方式，每個設備都具有內置的安全性，每個通信接口都受到保護，并且它們與云之間的通信受到保護。

如今，有經過驗證的硬件級安全技術可以防止網絡攻擊、惡意篡改、IP 盜竊以及使用未經授權或克隆的設備。DS28E35深度蓋安全認證器，?1例如， 為主控制器提供一種高度安全的方法，以使用行業標準加密方法對外圍設備進行身份驗證。

總結

集成工廠和分布式智能。集成安全和物聯網。這是安全、成功、高效的工廠的未來。用于工業應用的新型電子系統必須解決系統性能的四個關鍵方面：精確測量極低信號，同時控制非常高的功率水平;傳感器和系統之間的通信廣泛分布;低功耗、高密度和低延遲的控制系統;以及最先進的嵌入式安全性。本應用筆記討論了業界領先的模擬和混合信號集成如何滿足這些嚴格的工業要求。它展示了模擬集成如何推動當今的集成工廠并預測未來的需求。

審核編輯：郭婷