在工业过程监控应用中，4 - 20 mA 电流环路是常用的传感器信息传输技术。传统简单 4 - 20 mA 系统将传感器输出电压转换为成比例电流，而智能变送器则在此基础上进行了升级。它能对增益和偏移归一化，将模拟信号数字化处理后再转换回模拟信号传输，还添加了与 4 - 20 mA 信号共用双绞线的数字通信功能，通过 HART 协议实现控制和诊断信号与传感器数据的同时传输。
为满足需求，ADI 推出了相关芯片。MAX12900 是一款包含 10 个构建模块的集成变送器，能实现精密电压控制电流源等功能；MAX32675C 是高集成度混合信号、超低功耗微控制器，基于超低功耗 ArmCortex - M4，带有浮点单元、丰富数字外设和模拟前端 (AFE)，AFE 集成了低功耗 HART 调制解调器等。
借助 MAX12900 和 MAX32675C 的组合，仅需少量外部元件就能设计智能变送器，两者分别采用 5 mm × 5 mm 和 8 mm × 8 mm 封装，有效缩小了整体解决方案的尺寸。这种组合还为 4 - 20 mA 智能变送器带来缩小系统尺寸、支持多种传感器提升灵活性以及改善整体系统可靠性等三重好处。
一、引言
在工业过程监控应用中，4 - 20 mA 电流环路常用于传输温度和压力等传感器信息。当信息需长距离传输时，该环路优势明显，信号对噪声不敏感且可从远程供电电压获取电力。本文介绍通过集成 SoC 缩小 4 - 20 mA 智能变送器尺寸的技术及相关芯片。
二、4 - 20 mA 传感器概述与发展
简单 4 - 20 mA 系统
在简单系统中，传感器输出电压转换为成比例电流，4 mA 表示零电平输出，20 mA 表示满量程输出，远端接收器将电流转换回电压供后续处理。
智能变送器
功能：采用微处理器和数据转换器，能对信号远程调理，对增益和偏移归一化，将模拟信号数字化处理后再转换回模拟信号沿环路传输。
故障处理：正常工作时输出信号在 4 - 20 mA 之间，超出正常运行条件时，符合标准的变送器多可输出 20.5 mA；检测到内部故障时，微处理器会将输出信号设置为 3.6 mA 或 21.0 mA。
数字通信：添加数字通信功能，与 4 - 20 mA 信号共用双绞线，采用 HART 协议，通过频移键控 (FSK) 实现模拟和数字信号同时传输，FSK 信号平均值为零，不影响 4 - 20 mA 模拟信号。
HART 命令集：包括通用命令、常规命令和器件特定命令，所有采用 HART 协议的器件需支持通用命令，常规命令为许多器件实现的功能，器件特定命令为每个现场器件独有功能。每个 HART 器件有 38 位地址。
三、相关芯片介绍
MAX12900 集成变送器
包含 10 个构建模块，传感器接收微控制器数据形成粗调 (PWMAP) 和精调 (PWMBP) 两种 PWM 信号，经缓冲、求和和低通滤波器转换为电压电平。OP3 与精密基准电压和外部 MOSFET 结合实现精密电压控制电流源，第二个通用放大器用于测量电流环路并向微控制器提供反馈，两个比较器用于监控电源电压和内部 LDO 电压，电源时序控制器确保系统正确启动。
MAX32675C 微控制器
基本信息：高集成度混合信号、超低功耗微控制器，基于超低功耗 Arm? Cortex? - M4，带有浮点单元、丰富数字外设和模拟前端 (AFE)。
AFE 功能：集成低功耗 HART 调制解调器、两个 12 通道 Σ - Δ 模数转换器 (ADC)、可编程增益放大器 (PGA) 以及 12 位数模转换器 (DAC)。
ADC 特性：可按需自动校准内部失调和增益误差以及系统失调和增益误差，校准值存储在专用寄存器中。PGA 有 8 个独立增益校准寄存器。系统校准可通过提供零电平或满量程信号启动，也可直接写入内部校准寄存器。校准值应用于 ADC 转换结果。可配置数字滤波器支持选择陷波频率和数据速率，同步 50 Hz/60 Hz 抑制有限脉冲响应 (FIR) 滤波器在不同数据速率下有不同抑制效果，sinc4 设置支持四阶 SINC 滤波器。时序控制器可将一系列命令编程到序列缓冲器寄存器中，有 8 个寄存器存储 ADC 转换输出和相关比较阈值寄存器。
AFE 配置为热电偶测量：利用热电偶测量温度时，需用精密基准电压测量热电偶电压，用单独传感器（如 RTD）测量冷端温度。根据热电偶类型设置 PGA 增益，内部电压发生器将热电偶偏置至 VDD/2。采用 RTD 测量冷端温度时，设置电流源在 AIN10 上提供电流，转换数据为 RTD 电阻与 REF 的比率。
HART 调制解调器：集成 1200 Hz/2200 Hz FSK 信号的调制和解调功能，功耗低，只需少量外部元件。输入信号由 ADC 采样，经数字滤波器 / 解调器处理，调制器提供纯净信号，SPI 接口配置外设寄存器，通信采用 UART。
四、智能变送器实现
借助 MAX12900 和 MAX32675C 的组合，仅需少量外部元件就能设计智能变送器，MAX32675C 采用 8 mm × 8 mm 封装，MAX12900 采用 5 mm × 5 mm 封装，有效缩小整体解决方案尺寸。
