工业现场仪器仪表的设计需求和挑战

作为工业过程控制系统的“千里眼、顺风耳”，可在现场监测温度、压力、流量、液位、位置、角度、酸碱度（pH）、含氧量、气体探测、腐蚀情况等等这些过程控制变量的仪器仪表或智能变送器（传感器）和其他工业系统一样，正在朝着更高的效率、更佳的鲁棒性、更高的通道密度、更快的速度向前发展，这相应促进了半导体器件新技术方案的发展。

具体来说，如今的仪表和变送器外壳正变得越来越小，因此对半导体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.需要额定温度更高的器件；4.需要效率更高的器件；5.安全要求更高的器件—诊断；6.处理要求越来越高，MCU既需要功耗更低也需要具备更强的处理能力。

图1：典型的工业过程控制系统的传感器执行器网络架构。

工业现场仪器仪表通常是通过传感器感知现场一些物理以及化学的变量，并将信息发送至PLC控制模块（如图1左下侧所示）。一般变送器分为两种类型：一类是环路供电型，采用两线式连接，同时提供电源和通信，从控制室通过电流环路供电，对于标准传送器，整个传送器的工作电流必须小于3.2mA，而对于支持HART的变送器则必须小于2.7mA。另一类是非环路供电型，采用4线式连接，两条用于电源，两条用于通信，无功耗限制，用于无法从电流环路获取足够电源的情况。

两线制的连接就是4mA到20mA的环路，仪表的电源和传送的信息都是在这两根线上提供的，通常规定的最小电压是要≥12V，最小的工作电流必须小于4mA，这样它的总可用功率就很小（《50mW），显然符合工业过程控制系统对更高效率的发展需求。但这对半导体器件选择和电路设计的低功耗提出了很高的要求，因为实际应用中要求会更严格。

以环路供电压力变送器为例，其信号链电路组成如图2，输入部分包括了仪表放大器、ADC、微处理器、MCU;输出部分DAC驱动是二环的输出，并从环路上取得电，然后再把它变成电压形成电源电路，同时还包括有LCD显示人机界面、系统的整个时钟等等。整个电路系统可用的功率必须要小于50mW，实际应用中要求更严格，总系统工作电流必须小于4mA，包括传感器/ADC/MCU/4mA至20mA电路电源，每种器件都要求消耗尽可能低的功耗。

工业现场环路供电仪器仪表的四大关键设计环节

图2：现场仪器仪表信号链——环路供电压力变送器。

因此，回到文章开头提到的，现在过程控制系统需要更小尺寸、更高集成度的度器件，其工作温度范围要更宽，效率更高，而且对安全性的要求也更高，处理器的能力要求更高、功耗需更低。在数据采集领域拥有40余年的领先经验的ADI公司为环路供电的现场仪器仪表/变送器提供了满足这些要求的优秀半导体器件方案，本文将根据图2信号链中的四大关键环节的设计需求和挑战，逐一解析ADI方案的特色和优势。

一、低功耗Σ-Δ型内核集成式模拟前端

适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端方面，集成了仪表放大器和高精度∑-△型ADC的低功耗AD779X系列是非常成功的产品系列，包括AD7791/92/93/94/95/96/97/98/99等9种型号。它们内置一个低噪声16位/24位Σ-Δ型ADC，其中含有3个/6个差分模拟输入，利用片上的MUX来切换多路通道；还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号。它们还内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，而且也可采用一个外部差分基准电压。其它片内特性包括可编程激励电流源、熔断电流控制和偏置电压产生器。这几乎就是在一颗芯片上实现了一个完整的模拟前端，只需极少的外围芯片直接就可以去处理热电阻或热电偶的信号，适用于压力传感器或热电偶传感器（冷结补偿）等应用。

AD779X系列工作电流极低300μA至450μA），因而可实现极低的功耗；可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可通过软件编程设置（4SPS至500SPS）；同时具备卓越的失调和漂移规格，片上数字滤波器可实现50Hz和60Hz同时抑制。

二、更高集成度的精密模拟微控制器

除了分立的模拟前端片上系统，ADI公司还提供集成度更高的解决方案，把前端（像前面提到的多路复用器（MUX）、仪表放大器、ADC）再加上微控制器（也称单片机），包括像时钟看门狗、系统的诊断等功能全部集成在一起，即ADuCM360——它的内核是ARM Cortex-M3。

图3是ADuCM360系统框图。ADuCM360是完全集成的3.9kSPS、24位数据采集系统，在单芯片上集成双核高性能多通道Σ-Δ型模数转换器（ADC）、32位ARM Cortex-M3微处理器和Flash/EE存储器。在有线和电池供电仪器仪表应用中，ADuCM360可设计为与外部精密传感器直接连接。

图3：精密模拟微控制器ADuCM360的系统框图。

ADuCM360的模拟子系统由双通道ADC组成，每个ADC均连接到一个灵活的输入多路复用器。两个ADC都可在全差分和单端模式下工作。其他的片内ADC功能包括：双通道可编程激励电流源、诊断电流源和偏置电压产生器AVDD_REG/2（900mV），可设置输入通道的共模电压。低端内部接地开关可在两次转换之间关断外部电路（例如电桥电路）。

ADC包含两个并联的滤波器：一个sinc3或sinc4滤波器与sinc2滤波器并联。Sinc3或Sinc4滤波器用于精密测量。sinc2滤波器用于快速测量和输入信号的步进变化检测。

该器件集成一个1.2V低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，但在采用比例式测量配置时可配置成接受一或两个外部基准电压源。片内集成了可缓存外部基准电压输入的选项。片内还集成一个单通道缓冲电压输出DAC。

ADuCM360集成了一系列片内外设，可以根据应用需要通过微控制器软件控制进行配置。这些外设包括：UART、I2C和双通道SPI串行I/O通信控制器、19引脚GPIO端口；两个通用定时器；唤醒定时器及系统看门狗定时器。同时提供了一个带6个输出通道的16位PWM控制器。

低功耗自然也是ADuCM360的可圈可点之处，特别适合电池供电应用。微控制器内核可配置为普通工作模式，功耗290μA/MHz（包括flash/SRAM IDD）。在两个ADC均打开（输入缓冲器关闭）、PGA增益为4、一个SPI端口打开和所有定时器均打开时，系统总电流消耗可以达到1mA。另外，该器件通过直接编程控制可配置为许多低功耗工作模式，包括休眠模式（内部唤醒定时器有效），此时能耗仅为4μA。在休眠模式下，诸如外部中断或内部唤醒定时器等外设可以唤醒该器件。该模式可让器件在功耗极低的情况下运行，同时仍然响应外部异步或周期事件。

ADI还推出了基于ADuCM360配合ADP1720 LDO的环路供电变送器应用参考设计CN0300以及评估板，这是一个提供4mA至20mA输出的完整闭环精密模拟微控制器热电偶测量系统，该电路稍作修改也可实现热电阻的测量。

图4：ADI公司4mA-20mA输出的完整闭环精密模拟微控制器热电偶测量系统参考板。

三、4mA-20mA接口输出DAC：低功耗、小尺寸、高安全性

对于图2信号链的环路供电4mA-20mA输出环节，ADI公司推荐非常适合的高性能、低功耗集成式低成本DAC解决方案——AD5421。相对竞争性方案，其功耗可节省50%，占板空间可节省高达55%。AD5421保证16-bit单调性，典型条件下，积分非线性为0.0015%，失调误差为0.0012%，增益误差为0.0006%。它采用28引脚TSSOP封装，额定温度范围为-40℃至+105℃工业温度范围。

AD5421内置一路稳压输出，用于为自身及变送器中的其它器件供电。此调节器提供1.8V至12V的调节输出电压，可支持低电压辅助系统元件。该器件还内置1.22V和2.5V基准电压源，因而不需要分立调节器和基准电压源。

AD5421可以结合标准HART FSK协议通信电路使用，而且额定性能不会受到影响。高速串行接口能够以30MHz速率工作，并且允许通过一个SPI兼容型三线式接口与常用的微处理器和微控制器简单相连。

在图2所示信号链中，AD5421可发挥增强的故障检测功能：它对SPI的接口有一个看门狗定时器，SPI接口可有分组错误的校验，还有环路电流、电压的监测，并可对片上本身温度进行监测，还有就是可以进行电源电压的监控，确保了系统的安全和可靠性。

四、通过HART通信实现增强的测量和诊断功能

对于当今的现场仪器仪表，还有一个很重要的设计环节就是HART（可寻址远程传感器高速通道）通信。随着全球工业过程控制系统朝着需要更多诊断功能、需要进行资产管理、需要更多通信的趋势发展，HART逐步成为是一个通行的准数字标准，在传统单向的、单通道、诊断功能有限（正常/故障）的4mA-20mA工业总线上增加一个HART选项，通过调频的方式，叠加数字的信号，来实现增强的测量能力和双向诊断功能（图5）。

图5：HART通信在过程控制领域方兴未艾。

传统上做变送器/现场仪器仪表的系统厂商已经普遍在一些高端模块上整合了HART，近年来的趋势是做控制器、PLC以及DCS的厂商也开始在自己的IO模块、控制器模块上去加HART，以便提供更好的系统诊断和通讯的功能。

ADI公司的AD5700是一款能很好满足HART标准规格要求的集成式低功耗HART FSK半双工调制解调器。AD5700是一种单芯片解决方案，集成所有必要的滤波、信号检测、调制、解调和信号生成功能，还集成了全温度范围内都能保证精度为0.5%的精密振荡器，并包含精密载波检测电路并采用标准UART接口，和业界同类产品相比，可减少60%的外部元件。该器件在做解调模式时最低只有178μA，还带基准源，功耗相比同类产品降低了38%，因此是低功耗环路供电型应用的最佳选择。

AD5700采用小型4mm x 4mm外壳设计，尺寸减小了75%；该器件的工作电源电压最低可以在1.71V，其他很多产品到3.3或者3.35V以下就无法工作了；发射波形为相位连续1200Hz和2200Hz正弦波。

图6：DEMO-AD5700-D2Z—适合工业HART通信的ADI完整解决方案。

如图6，ADI新推出了基于AD5700的具有HART接口的完整4mA至20mA环路供电现场仪器评估板。该方案已通过了HART基金会的测试认证。因为HART基金会规定不提供商业用途HART的堆栈，所以ADI也不提供HART堆栈，只计划要公布简化实例代码，包括单片机ADuCM360（配置，PGA，2× ADC，Vref…）、AD5421（SPI）、AD5700（UART）外设的驱动，还提供一条HART的命令，但不是HART堆栈（可以去找第三方提供）。

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