作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了充分發(fā)揮工業(yè) 4.0 的潛力，設計人員需要從惡劣環(huán)境中獲取數(shù)據，并將數(shù)據安全、可靠地傳輸?shù)?a href="http://m.sdkjxy.cn/v/tag/8966/" target="_blank">控制系統(tǒng)。雖然已經有了實現(xiàn)這一愿景的關鍵技術，但設計人員在尋找和實現(xiàn)有效解決方案時一直是孤軍奮戰(zhàn)。設計人員需要解決方案來簡化互聯(lián)、智能的現(xiàn)場儀表的實現(xiàn)，從而完成加工行業(yè)的數(shù)字化轉型。

本文介紹了 [Analog Devices]提供的一個全面解決方案，該解決方案可有效滿足對互聯(lián)、智能現(xiàn)場儀表日益增長的需求。

現(xiàn)場儀器依賴于四個關鍵功能

在工業(yè)自動化部署中，現(xiàn)場儀表包括一系列信號處理設備，確保現(xiàn)場終端傳感器和執(zhí)行器與用于管理這些設備及其數(shù)據的主機系統(tǒng)之間進行可靠的數(shù)據和控制交換。在典型應用中，這些儀器需要支持四種關鍵功能：

• 提供接口與通過模數(shù)轉換器 (ADC) 或數(shù)模轉換器 (DAC) 連接的傳感器或執(zhí)行器對接
• 提供用于信號調節(jié)和終端設備控制的微控制器單元 (MCU)
• 提供儀器運行和安全所需的電源、隔離和監(jiān)控功能
• 為可靠、安全地交換數(shù)據和控制信息所需的各種連接選件提供接口

通過尋找所需的 ADC、MCU、電源和連接器件，為每個基于特定傳感器或執(zhí)行器的應用提供支持，設計人員可解決典型現(xiàn)場儀表的這些功能要求（圖 1）。

圖 1：在打造現(xiàn)場儀器時，通過使用現(xiàn)有的 ADC、DAC、MCU 和其他支持器件，設計人員即可解決獲取傳感器數(shù)據或控制變送器的基本要求。（圖片來源：Analog Devices）

隨著工業(yè) 4.0 帶來更多重大挑戰(zhàn)，現(xiàn)場儀表設計人員面臨著一系列不斷增加的要求，即要在繼續(xù)提供準確、可靠的數(shù)據的同時，實現(xiàn)更高的邊緣智能、安全性和保障性。

工業(yè) 4.0 推動對更先進功能的需求

在傳感器或執(zhí)行器接口上，高分辨率、高帶寬傳感器的數(shù)量和種類越來越多，因此需要有效的模擬前端 (AFE) 解決方案。在大量傳感器信號采集和調節(jié)需求的推動下，這些儀器的處理要求也相應提高。此外，為實現(xiàn)更高的邊緣智能，需要能夠在邊緣高效執(zhí)行人工智能 (AI) 算法的先進處理器，以提高現(xiàn)場儀器的效率并增強工業(yè)安全。鑒于面對的威脅越來越多，這些工具的安全仍然至關重要。

傳統(tǒng)的 4-20 毫安 (mA) 電流環(huán)路設備通?？蔀閮x表提供每秒 1.2 千比特 (Kb/s) 的速率和低于 40 毫瓦 (mW) 的功率，與之相比，先進現(xiàn)場儀表需要更高的數(shù)據帶寬和傳輸功率。10BASE-T1L 支持每秒 10 兆比特 (Mb/s) 的數(shù)據帶寬，在 0 區(qū)可提供最高 60 瓦或 500 毫瓦的功率，從而促進了采用本質安全的 Ethernet-APL（先進物理層以太網）技術的使用。此外，10BASE-T1L/Ethernet-APL 還能通過單根雙絞線提供這種性能，同時還能重復使用已安裝的現(xiàn)有電纜。

即使工業(yè)系統(tǒng)提出了更高的通信要求，仍然需要支持傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表和新興的工業(yè) 4.0 應用。因此，設計人員必須針對現(xiàn)有應用（圖 2 棕色區(qū)域）和新型系統(tǒng)（圖 2 綠色區(qū)域）進行智能的現(xiàn)場儀表設計。

[]圖 2：在設計智能現(xiàn)場儀表時，設計人員面臨的挑戰(zhàn)是既要滿足新出現(xiàn)的功率和數(shù)據帶寬要求，又要支持現(xiàn)有的工業(yè)應用。（圖片來源：Analog Devices）

利用 Analog Devices 的一套先進器件，設計人員可以快速滿足現(xiàn)有和新出現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)對智能現(xiàn)場儀表的要求。

用全套設備滿足對先進現(xiàn)場儀器的要求

典型的現(xiàn)場儀器必須滿足一系列要求。圖 3 為一個典型的壓力傳感器變送器，展示了設計人員如何在自己的應用中輕松滿足這些要求。

圖 3：壓力傳感器變送器的高級設計展示了典型智能現(xiàn)場儀表對傳感器接口、處理器、電源和連接功能的基本要求。（圖片來源：Analog Devices）

在圖示壓力傳感器變送器設計中，信號鏈必須為電阻橋式壓力傳感器提供激勵電流，并測量傳感器對壓力做出反應時產生的差壓。在圖 4 中，像 Analog Devices 的 [AD7124]或 [AD4130] AFE 這樣的單個集成器件，可通過作為具有數(shù)字輸出的完整多通道信號鏈的一部分提供激勵電流，從而簡化了傳感器接口。

[]圖 4：AD7124 AFE 提供了從大多數(shù)有源和無源傳感器生成數(shù)字數(shù)據所需的完整多通道信號鏈。（圖片來源：Analog Devices）

為了完善傳感器子系統(tǒng)，設計人員可以使用 Analog Devices 的 [ADuCM36x] 系列 MCU 來管理 AFE 并執(zhí)行其他信號處理、校準和補償。例如，設計人員可以使用 ADuCM36x MCU 的集成 24 位 ADC 轉換溫度傳感器的讀數(shù)，為電阻橋式傳感器提供溫度補償（圖 4）。

為了進行更廣泛的處理和全面管理現(xiàn)場儀表，設計人員可以采用高性能的 [Arm?] Cortex?-M4 MCU，如 Analog Devices 的 [MAX32675] 或 [MAX32690]，而新型 AI 微控制器，如多次獲獎的 MAX78000 系列，可確保在邊緣以最高效率執(zhí)行神經網絡。高性能 MCU 通過 Analog Devices 的 [ADUM1440]數(shù)字隔離器與傳感器子系統(tǒng)隔離，負責管理現(xiàn)場儀器操作、附加外設和連接。

這些 MCU 專為工業(yè)自動化而設計，可滿足不同的專業(yè)應用要求。例如，MAX32675 非常適合 4-20 mA 電流環(huán)路應用，而 MAX32690 則為無線應用集成了先進的低能耗藍牙 5.2 (BLE) 無線電以及足夠的存儲空間，以支持 Profinet 等大型通信棧。這兩款處理器通過提供集成的真隨機數(shù)生成器、高級加密標準 (AES) 引擎、安全的非易失性密鑰存儲和安全引導功能，解決了日益增長的安全問題。

為了給現(xiàn)場儀表中的器件提供穩(wěn)壓電源，設計人員通常會采用低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器（如 Analog Devices 的 [ADP162]）以及 DC-DC 降壓開關穩(wěn)壓器（如 Analog Devices 的 [ADP2360]）。確保為處理器子系統(tǒng)提供正確的供電電壓，對于在電氣噪聲環(huán)境中工作的智能現(xiàn)場儀表設計至關重要。利用 Analog Devices 的 [ADM8323] 監(jiān)控器，設計人員可以確保供電電壓保持在預設電壓閾值之上。

在上電、掉電和欠壓事件期間，ADM8323 會發(fā)出一個信號，將 MCU 保持在復位狀態(tài)。當電源恢復到閾值電平以上時，ADM8323 釋放復位。此時，支持安全引導功能的 MCU（如 MAX32675 和 MAX32690）會在繼續(xù)執(zhí)行之前確認程序代碼的真實性。為了確認代碼執(zhí)行是否正常，設計人員可以使用 ADM8323 的窗口式集成看門狗定時器。

獲取傳感器數(shù)據和可靠地執(zhí)行代碼是智能現(xiàn)場儀表運行的基本要求。在應用層面，可靠的通信至關重要。多年來，智能連接現(xiàn)場儀表一直依賴于 4-20 mA 電流環(huán)路設備，并使用相位連續(xù)頻移鍵控 (FSK) HART 調制解調器協(xié)議進行數(shù)據交換。設計人員可使用 Analog Devices 的 [AD5421]4-20 mA DAC 和 [AD5700]HART 調制解調器，輕松支持現(xiàn)有的電流環(huán)路和 HART 協(xié)議接口。

工業(yè)自動化解決方案需要更高的電壓等級和更大的帶寬，而早期的方法無法支持這些要求，因此需要像 10BASE-T1L 物理層標準這樣的連接選擇。設計人員可以使用 Analog Devices 的 [ADIN1100]或 [ADIN1110]快速實現(xiàn) 10BASE-T1L 連接。ADIN1100 為設計提供物理 (PHY) 層收發(fā)器，而 ADIN1110 則同時集成了 PHY 收發(fā)器和媒體訪問控制 (MAC) 接口，可與未集成 MAC 的低功耗處理器配合使用。

擴展并增強現(xiàn)場儀器以滿足特殊要求

通過添加或替換一些組件，設計人員可以擴展和增強圖 3 中相同的壓力傳感器設計，以針對特定應用打造所需的聯(lián)網現(xiàn)場儀表。例如，電磁流量變送器的設計可能會使用相同的整體結構，只是根據需要添加或移除一些組件（圖 5）。

圖 5：設計人員可以在重復使用現(xiàn)有現(xiàn)場儀表設計元件的同時，快速響應新的傳感器接口要求，如圖中所示的電磁流量變送器所需的接口要求。（圖片來源：Analog Devices）

對于這種應用，許多相同的組件可以滿足整體要求，但需要不同的傳感器接口。設計人員可以使用合適的儀表放大器（如 Analog Devices 的 [AD8422] DC-DC 穩(wěn)壓器和 [ADuM4121] 隔離柵極驅動器來提供流量傳感器所需的恒流激勵源，從而滿足新的傳感器接口要求。

另有一些可用的構件可滿足新出現(xiàn)的專門要求。例如，聯(lián)網的智能現(xiàn)場儀表可能需要加密和認證功能，以保護數(shù)據不被泄露，并要確保從主機傳遞到儀表的控制指令的完整性，從而滿足最新的 IEC 62443 要求。在這種情況下，設計人員可以添加 Analog Devices 的超低功耗 [MAXQ1065]安全協(xié)處理器，以計算用于 AES 信息加密的會話密鑰。

結語

先進的工業(yè)自動化應用以智能現(xiàn)場儀表的功能為基礎，可支持更多的傳感器和執(zhí)行器。為了有效地設計這些儀器，設計人員現(xiàn)在可以利用全套設備來支持更苛刻的傳感器接口、處理器、電源和連接要求。