Excelpoint - ADI助力变送器从传统环路供电到工业4.0智能化转变

    压力变送器是许多工业设备中用于控制工业过程和压力变化的重要元件，可用于测量压力、液位、流速、密度等。通常，变送器可采用电池、线路电源、环路电源供电，并包括电源、信号调理、ADC、处理器、显示器、键盘、通讯等模块。目前变送器市场热度高涨，HART、PROFIBUS、Modbus、IO-Link等技术也被引入应用中，使得应用场景得到了跨越式发展。那要如何设计出适当的变送器系统呢？
    技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Nathan Xiao介绍了ADI的模拟变送器、数字化变送器、智能变送器等不同类型的方案特性，并推荐了产品组合方案，包括精密放大器、精密基准电压源、精密模数转换器和低功耗微处理器等。
    一、模拟变送器方案

    早期变送器采用了纯模拟的信号链，采用4-20mA环路供电方式，环路需要同时提供电源和数据，并且系统回路的工作电流必须小于4mA。在实际设计中，电路功耗小于或等于3.6 mA是比较典型的目标值，ADI的CN0289参考设计就是典型的纯模拟信号链。

    该电路有三个重要的电路级：传感器激励驱动、传感器输出放大器和电压-电流转换器。传感器激励可通过跳线切换电压、电流驱动，传感器驱动电流为2mA。传感器输出采用带宽为39.6 kHz的共模滤波器(4.02 kΩ、1 nF)以及带宽为2 kHz的差模滤波器(8.04 kΩ、10 nF)滤波；AD8226是理想的仪表放大器选择，因为它具有低增益误差(0.1%，B级)、低失调(G = 50时58μV，B级；G = 50时112μV，A级)、出色的增益非线性度(75 ppm = 0.0075%)以及轨到轨输出特性。

    数字化变送器采用高度集成的处理器电路，可对信号进行线性化校准、温度补偿，弥补了模拟变送器在线性度、温漂等诸多方面的不足，大大提高了压力变送器在全温区的精度等级。ADA4558提供了符合LIN2.1标准接口的解决方案，MAX1452提供了工业级、汽车级的解决方案，MAX40109作为MAX1452的升级产品也即将推出。

    MAX40109是一款高度集成的单芯片解决方案，在MAX1452基础上增加并优化了许多专用功能：

    4、MTP：存储器可编程40次，相对于其他的OTP产品具有了更大的优势；

    6、供电范围：相对于其他产品，MAX40109具有更宽的供电范围(3V-36V)，可进一步简化设计、减少外围器件数量。

    1、ADuCM360

    CN0267是基于ADuCM360设计的具有HART接口的完整4-20mA环路供电解决方案，该电路已通过兼容性测试和验证，并通过了HART通信基金会(HCF)的注册。这一成功注册可让电路设计人员极其放心地使用电路中的一个或全部元件。

    该电路使用了超低功耗精密模拟微控制器ADuCM360、16位环路供电数模转换器AD5421，以及业界功耗极低、尺寸极小的HART兼容型IC调制解调器AD5700。

    2、MAX32675

    图9.MAX32675功能框图

    MAX32675是一款基于Cortex-M4F、具有强大安全功能的低功耗微控制器，除了具备ADuCM360的高性能模拟前端外，内部增加了HART模块，在功耗、Flash等方面也有了进一步的提升，是一款更高性价比的智能变送器解决方案。

    3、EPSH-SPTMX75-2W

    为了便于用户评估MAX32675在两线制压力变送器方面的性能，Excelpoint世健技术团队设计了参考方案 EPSH-SPTMX75-2W，通过硬件平台及传感器线性补偿算法等软件，配合PC端的调试软件GUI对变送器进行出厂前的调试、参数设置。降低了单片机和软件平台开发的难度，缩短客户开发时间，加速客户产品上市周期。

    恒流供电型的压力变送器对温漂指标较为关注，在EPSH-SPTMX75-2W方案上，现场进行了恒流源温漂的实际测量，终温漂参数为33ppm/℃。

    表4.1MPa测试数据

    在整个工厂内进行先进及高水平的工业连接是数字化转型的基石。没有工业连接，则无法提供可靠的方法来将大量工业数据转化为洞察力，从而做出明智的决策，终实现更好的业务产出和行业颠覆。新一代工业连接将资产和技术连接在一起，形成一个高效、有弹性且灵活的生态系统，可以轻松适应独特的制造需求并兼顾未来趋势。

    IO-Link技术可促使传统传感器转变为智能传感器，让实时可配置的工厂车间成为现实。ADI公司的IO-Link主机和器件收发器产品系列非常强大且高度灵活，有助于将一些智能功能从PLC转移到更靠近工厂车间的传感器。高度集成且稳健可靠的MAX22513 IO-Link器件收发器内置了一个高效率DC-DC降压调节器，功耗降低了50%，同时体积仅为其他双通道解决方案的50%。除此之外，MAX14819/MAX14819A IO-Link主机收发器还集成了UART帧处理器，因而无需外部UART，减少了系统微控制器的宝贵开销。

    低功耗10BASE-T1L MAC PHY和配套的ADIN1100 PHY正在推动向无缝连接现场设备的过渡，并通过1.7km的单对以太网(SPE)电缆将以太网APL一直延伸到过程智能边缘。MAC PHY支持通过SPI连接各种主机控制器，从而实现较低功耗的系统设计和优化型系统分区。下表为应用于压力变送器的ADI特色器件。