作者：Stephen Evanczuk

　　為了充分發(fā)揮工業(yè) 4.0 的潛力，設(shè)計(jì)人員需要從惡劣環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)可靠、安全地傳送到控制系統(tǒng)。盡管存在實(shí)現(xiàn)這一愿景的關(guān)鍵技術(shù)推動因素，但設(shè)計(jì)人員過去一直依靠自己來確定和實(shí)施有效的解決方案。設(shè)計(jì)人員需要能夠簡化流程工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型所需的互聯(lián)智能現(xiàn)場儀表實(shí)施的解決方案。

　　本文介紹了Analog Devices的綜合解決方案集的使用，該解決方案為滿足互聯(lián)智能現(xiàn)場儀表不斷增長的需求提供了有效的答案。

　　現(xiàn)場儀表依賴于四個關(guān)鍵功能

　　在工業(yè)自動化部署中，現(xiàn)場儀表包括信號處理設(shè)備的集合，確保現(xiàn)場終端傳感器和執(zhí)行器之間可靠的數(shù)據(jù)和控制交換，以及用于管理這些設(shè)備及其數(shù)據(jù)的主機(jī)系統(tǒng)。在典型應(yīng)用中，這些儀器需要支持四個關(guān)鍵功能：

　　提供與通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 連接的傳感器或執(zhí)行器的接口

　　提供用于信號調(diào)節(jié)和終端設(shè)備控制的微控制器單元 (MCU)

　　提供儀器操作和安全所需的電源、隔離和監(jiān)控

　　提供可靠、安全的數(shù)據(jù)和控制信息交換所需的各種連接選項(xiàng)的接口

　　設(shè)計(jì)人員通過尋找所需的 ADC、MCU、電源和連接設(shè)備來支持每個特定的傳感器或基于執(zhí)行器的應(yīng)用，從而滿足了典型現(xiàn)場儀器的這些功能要求(圖 1)。

　　圖 1：在創(chuàng)建現(xiàn)場儀器時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過使用可用的 ADC、DAC、MCU 和其他支持設(shè)備，滿足了采集傳感器數(shù)據(jù)或控制傳感器的基本要求。 (圖片來源：Analog Devices)

　　隨著工業(yè) 4.0 面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)人員面臨著越來越多的要求，要求提高邊緣智能、安全性和安全性，同時(shí)繼續(xù)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。

　　工業(yè) 4.0 推動了對更先進(jìn)功能的需求

　　在傳感器或執(zhí)行器接口處，更多數(shù)量和種類的高分辨率、高帶寬傳感器需要有效的模擬前端 (AFE) 解決方案。在廣泛的傳感器信號采集和調(diào)節(jié)需求的推動下，這些儀器的處理需求相應(yīng)上升。此外，對更高邊緣智能的追求需要先進(jìn)的處理器能夠在邊緣高效執(zhí)行人工智能 (AI) 算法，從而提高現(xiàn)場儀器效率并增強(qiáng)工業(yè)安全。面對不斷擴(kuò)大的威脅，這些儀器的安全仍然至關(guān)重要。

　　與傳統(tǒng)的 4-20 毫安 (mA) 電流環(huán)路設(shè)備相比，隨著功能的增強(qiáng)，先進(jìn)的現(xiàn)場儀器需要更高的數(shù)據(jù)帶寬和功率傳輸，傳統(tǒng)的 4-20 毫安 (mA) 電流環(huán)路設(shè)備通常為儀器提供 1.2 千比特每秒 (Kbits/s) 和低于 40 毫瓦的功率傳輸(毫瓦)。 10BASE-T1L 在 0 區(qū)支持每秒 10 兆位 (Mbits/s) 的數(shù)據(jù)帶寬和高達(dá) 60 瓦或 500 mW 的功率傳輸，鼓勵使用以太網(wǎng)-APL 進(jìn)行本質(zhì)安全的用例。此外，10BASE-T1L/以太網(wǎng)-APL 可以通過單根雙絞線電纜提供這種性能，同時(shí)可以重復(fù)使用現(xiàn)有已安裝的電纜。

　　即使工業(yè)系統(tǒng)涉及更苛刻的通信要求，支持傳統(tǒng)現(xiàn)場儀表和新興工業(yè) 4.0 應(yīng)用的需求仍然存在。因此，設(shè)計(jì)人員必須通過智能現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)來應(yīng)對現(xiàn)有棕地應(yīng)用和新綠地系統(tǒng)的結(jié)合(圖 2)。

　　圖 2：在設(shè)計(jì)智能現(xiàn)場儀表時(shí)，設(shè)計(jì)人員面臨著響應(yīng)新興電源和數(shù)據(jù)帶寬要求以及支持現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用的挑戰(zhàn)。 (圖片來源：Analog Devices)

　　使用 Analog Devices 的一組先進(jìn)器件，設(shè)計(jì)人員可以快速滿足現(xiàn)有和新興工業(yè)自動化系統(tǒng)所用智能現(xiàn)場儀表的要求。

　　通過全套設(shè)備滿足先進(jìn)現(xiàn)場儀器的要求

　　典型的現(xiàn)場儀表必須滿足一系列要求。典型的壓力傳感器變送器展示了設(shè)計(jì)人員如何在自己的應(yīng)用中輕松滿足這些要求(圖 3)。

　　圖 3：壓力傳感器變送器高層設(shè)計(jì)說明了典型智能現(xiàn)場儀表的傳感器接口、處理器、電源和連接功能的基本要求。 (圖片來源：Analog Devices)

　　在圖中的壓力傳感器發(fā)射器設(shè)計(jì)中，信號鏈必須向電阻橋壓力傳感器提供激勵電流，并測量傳感器對壓力做出反應(yīng)時(shí)生成的差分電壓。這里，單個集成器件(例如 Analog Devices 的AD7124或AD4130 AFE)通過提供激勵電流作為具有數(shù)字輸出的完整多通道信號鏈的一部分來簡化傳感器接口(圖 4)。

　　圖 4：AD7124 AFE 提供從大多數(shù)有源和無源傳感器生成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)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(shè)計(jì)人員可以使用 Analog Devices 的ADuCM36x系列MCU來管理 AFE 并執(zhí)行額外的信號處理、校準(zhǔn)和補(bǔ)償。例如，設(shè)計(jì)人員可以使用 ADuCM36x MCU 的集成 24 位 ADC 來轉(zhuǎn)換溫度傳感器的讀數(shù)，以提供電阻橋傳感器的溫度補(bǔ)償(圖 4)。

　　為了對現(xiàn)場儀器進(jìn)行更廣泛的處理和整體管理，設(shè)計(jì)人員可以采用高性能Arm? Cortex?-M4 MCU，例如 Analog Devices 的MAX32675或MAX32690，而新的 AI 微控制器，例如屢獲殊榮的 MAX78000 系列，確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在邊緣的最高效率執(zhí)行。該高性能 MCU通過 Analog Devices 的ADUM1440數(shù)字隔離器與傳感器子系統(tǒng)隔離，可管理現(xiàn)場儀器操作、附加外設(shè)和連接。

　　這些 MCU 專為工業(yè)自動化而設(shè)計(jì)，可滿足不同的專業(yè)應(yīng)用要求。例如，MAX32675非常適合4-20 mA電流環(huán)路應(yīng)用，而MAX32690集成了適用于無線應(yīng)用的先進(jìn)藍(lán)牙5.2低功耗(LE)無線電，以及足夠的內(nèi)存來支持Profinet等大型通信堆棧。這兩款處理器通過提供集成的真隨機(jī)數(shù)生成器、高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 引擎、安全的非易失性密鑰存儲和安全啟動來解決日益增長的安全問題。

　　為了向現(xiàn)場儀表中的設(shè)備提供穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)人員通常會使用一個低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器(例如 Analog Devices 的ADP162)，以及一個 DC-DC 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器(例如 Analog Devices 的ADP2360)。確保處理器子系統(tǒng)的電源電壓正確對于在電噪聲環(huán)境中運(yùn)行的智能現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)至關(guān)重要。使用 Analog Devices 的ADM8323監(jiān)控器，設(shè)計(jì)人員可以確保電源電壓保持在預(yù)設(shè)電壓閾值以上。

　　在上電、斷電和掉電事件期間，ADM8323 發(fā)出一個信號，使 MCU 保持在復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)電源恢復(fù)到閾值水平以上時(shí)，ADM8323 釋放復(fù)位。此時(shí)，支持安全啟動的 MCU(例如 MAX32675 和 MAX32690)會在繼續(xù)操作之前確認(rèn)程序代碼的真實(shí)性。為了確認(rèn)代碼繼續(xù)正常執(zhí)行，設(shè)計(jì)人員可以使用 ADM8323 的窗口集成看門狗定時(shí)器。

　　獲取傳感器數(shù)據(jù)和可靠地執(zhí)行代碼是智能現(xiàn)場儀表操作的基本方面。在應(yīng)用程序級別，可靠的通信至關(guān)重要。多年來，智能互聯(lián)現(xiàn)場儀表一直依賴 4-20 mA 電流環(huán)路設(shè)備和使用相位連續(xù)頻移鍵控 (FSK) HART 調(diào)制解調(diào)器協(xié)議的數(shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)人員可以使用 Analog Devices 的AD5421 4-20 mA DAC 和AD5700 HART 調(diào)制解調(diào)器器件輕松支持現(xiàn)有電流環(huán)路和 HART 協(xié)議接口。

　　工業(yè)自動化解決方案需要比早期方法更高的電壓水平和更大的帶寬，從而推動了對 10BASE-T1L 物理層標(biāo)準(zhǔn)等連接選項(xiàng)的需求。設(shè)計(jì)人員可以使用 Analog Devices 的ADIN1100或ADIN1110快速實(shí)現(xiàn) 10BASE-T1L 連接。 ADIN1100 為設(shè)計(jì)提供物理 (PHY) 層收發(fā)器，而 ADIN1110 集成了 PHY 收發(fā)器和媒體訪問控制 (MAC) 接口，無需集成 MAC 即可與低功耗處理器一起使用。

　　擴(kuò)展和增強(qiáng)現(xiàn)場儀器以滿足特殊要求

　　通過添加或替換一些組件，設(shè)計(jì)人員可以擴(kuò)展和增強(qiáng)圖 3 中相同的壓力傳感器設(shè)計(jì)，以創(chuàng)建其特定應(yīng)用所需的連接現(xiàn)場儀表。例如，電磁流量變送器的設(shè)計(jì)可能使用相同的整體架構(gòu)，僅根據(jù)需要添加和刪除一些組件(圖 5)。

　　圖 5：設(shè)計(jì)人員可以快速響應(yīng)新的傳感器接口要求，例如此處所示的電磁流量變送器的接口要求，同時(shí)重用現(xiàn)有現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)的元素。 (圖片來源：Analog Devices)

　　對于此應(yīng)用，許多相同的組件可以滿足總體要求，但需要不同的傳感器接口。設(shè)計(jì)人員可以使用合適的儀表放大器(例如 Analog Devices 的AD8422)、ADP2441 DC-DC 穩(wěn)壓器和ADuM4121隔離柵極驅(qū)動器來滿足新的傳感器接口要求，以提供流量傳感器所需的恒流激勵源。

　　其他可用的構(gòu)建模塊可滿足新興的專業(yè)需求。例如，互聯(lián)的智能現(xiàn)場儀器可能需要加密和身份驗(yàn)證功能，以保護(hù)數(shù)據(jù)免遭泄露，并確保從主機(jī)傳遞到儀器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(shè)計(jì)人員可以添加Analog Devices的超低功耗MAXQ1065安全協(xié)處理器來計(jì)算用于AES消息加密的會話密鑰。

　　結(jié)論

　　復(fù)雜的工業(yè)自動化應(yīng)用建立在智能現(xiàn)場儀表的功能之上，可以支持更多數(shù)量的各種傳感器和執(zhí)行器。為了有效地設(shè)計(jì)這些儀器，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以利用一套全面的設(shè)備來支持更苛刻的傳感器接口、處理器、功率和連接要求。