物聯(lián)網(wǎng)(IoT)連結(jié)性是一個(gè)熱門(mén)話題，但除了在因特網(wǎng)方面，它并不是一個(gè)新概念；幾十年來(lái)，工業(yè)以及某些商業(yè)應(yīng)用就會(huì)將各個(gè)種類的傳感器以及換能器(transducer)鏈接到以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備與控制系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)只是擴(kuò)大了那些終端節(jié)點(diǎn)的范圍與數(shù)量。

要以物理方法傳輸訊號(hào)與數(shù)據(jù)有許多技術(shù)選項(xiàng)，有的方案僅需要最低程度的訊號(hào)調(diào)節(jié)(signal conditioning)，有的則是更適合需要完全調(diào)節(jié)與數(shù)字化的訊號(hào)。在眾多選項(xiàng)中，包括利用RS-432/485接口的有線鏈接方案，還有ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi等等專有無(wú)線通信方案。

所有物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)共通性：需要電源來(lái)運(yùn)作。這可以透過(guò)能量采集(如太陽(yáng)能、振動(dòng)、RF等等方法)，或是較長(zhǎng)續(xù)航力的電池；使用以低占空比(low duty cycle)、低休眠電流以及恰當(dāng)電池的系統(tǒng)，很容易可以達(dá)到10年的電池壽命。

其實(shí)有一種較舊的、有線的解決方案可以解決這個(gè)電源的問(wèn)題──也就是自供電20mA電流回路(current-loop)界面(如圖1)。我們很容易可以假設(shè)這個(gè)簡(jiǎn)單、古老的接口已經(jīng)幾乎過(guò)時(shí)，也不被推薦應(yīng)用于新設(shè)計(jì)，但情況并非如此；事實(shí)上，IC供貨商們?nèi)猿掷m(xù)推出采用這種回路的、功能更強(qiáng)大的新產(chǎn)品。

圖1：自供電電流回路的設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)單與技術(shù)簡(jiǎn)潔性的范例，也是其優(yōu)點(diǎn)（來(lái)源：ZHAW Zurich University of Applied Sciences）

在今年稍早Maxim針對(duì)發(fā)表的MAX12900超低功耗、高度整合4~20mA傳感器發(fā)射器模擬前端(AFE)就是一個(gè)例子(圖2)；該組件包括許多額外功能，但核心功能是可透過(guò)雙線4~20mA電流回路接收電源并傳輸數(shù)據(jù)。其主要限制在于傳感器與其調(diào)節(jié)功能功耗不超過(guò)3~4mA，而這種情況可能會(huì)需要外接傳感器電源或是更多的線路，這會(huì)削弱自供電優(yōu)勢(shì)。

圖2：MAX12900是一款相對(duì)較新的、采用自供電電流回路接口的組件（來(lái)源：Maxim Integrated）

為何電流回路接口這種舊技術(shù)還被運(yùn)用于新組件的設(shè)計(jì)？以下簡(jiǎn)單介紹其背景，會(huì)對(duì)理解原因有幫助。

隨著控制系統(tǒng)在1930年代與1950年代從氣動(dòng)式(pneumatic)演變?yōu)殡姎馐?，最常?jiàn)的接口就是0~20mA電流回路，也被稱為4~20mA回路。其概念相當(dāng)簡(jiǎn)單有效：目標(biāo)訊號(hào)──無(wú)論是來(lái)自傳感器或是傳輸至作用換能器──最低訊號(hào)值為4mA，最高則為20mA。

雖然這種回路最初是為模擬訊號(hào)設(shè)計(jì)，卻沒(méi)有任何控制協(xié)議，因此也可以被用于呈現(xiàn)數(shù)字訊號(hào)而非模擬訊號(hào)，其格式結(jié)構(gòu)(format structure)可以最小化。而在幾十年前，隨著訊號(hào)調(diào)節(jié)電路以及其ADC/DAC大幅降低功耗，以數(shù)mA的“免費(fèi)”電源來(lái)讓該類電路運(yùn)作變得實(shí)際可行。

無(wú)論能不能自供電，電流回路在工業(yè)化應(yīng)用上都能帶來(lái)一些顯著優(yōu)勢(shì)；不同于諸如RS-423/485等電壓接口，這種低阻抗回路對(duì)EMI相對(duì)免疫，這在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中是一大優(yōu)勢(shì)。此外，該回路具有一種整體性的、不花費(fèi)成本的方法能讓系統(tǒng)知道線路損壞(最常見(jiàn)的故障模式)，因?yàn)殡娏鲿?huì)下降至容易識(shí)別的0mA。最后，做為一種單回路涵蓋每個(gè)端點(diǎn)(one-loop-per-endpoint)的互連，它相當(dāng)容易安裝、標(biāo)記、追蹤以及除錯(cuò)。

而其缺點(diǎn)是，隨著工業(yè)回路的數(shù)量增加，線路成本與安裝工作負(fù)擔(dān)也會(huì)增加，此外需要提供每個(gè)回路一個(gè)從幾V到大約24VDC的電流源；如果是跨不同位置的多個(gè)回路，可能還需要電氣隔離以避免接地回路(ground-loop)問(wèn)題。

毫無(wú)疑問(wèn)，老牌自供電電流回路仍有它的一席之地；與大多數(shù)的工程決策一樣，沒(méi)有簡(jiǎn)單、唯一的“正確選項(xiàng)”，只有針對(duì)不同應(yīng)用的“最佳解決方案”，而這當(dāng)然需要經(jīng)過(guò)權(quán)衡與妥協(xié)。無(wú)論如何，在一些較舊的、由來(lái)已久的技術(shù)仍是好選擇時(shí)，不要太快奔向那些最新、最厲害的解決方案。

你在換能器設(shè)計(jì)上使用過(guò)20mA自供電回路嗎？你是否嘗試使用過(guò)更復(fù)雜的接口，像是ZigBee、Wi-Fi或是經(jīng)典的RS-422/485，只為了達(dá)到電流回路就可以達(dá)到的效果嗎？歡迎分享你的看法！