你需要了解的環(huán)路供電智能變送器的功耗限制

當(dāng)代的現(xiàn)場(chǎng)儀表，也就是眾所周知的智能變送器，是基于微處理器的智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，用于監(jiān)控過(guò)程控制變量。隨著一些處理功能從中心控制室分散到工作現(xiàn)場(chǎng)，此類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化程度日益提高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著一種直接挑戰(zhàn)，也就是既要融合額外的智能、功能和診斷能力，同時(shí)又要開(kāi)發(fā)出能夠在4-20mA的環(huán)路所提供的有限功率范圍內(nèi)有效運(yùn)行的系統(tǒng)。本文旨在指出市場(chǎng)中出現(xiàn)的一些主要趨勢(shì)的重要性，同時(shí)探討如何在整體系統(tǒng)層次以及在智能變送器設(shè)計(jì)基本信號(hào)鏈元件的范圍內(nèi)高效地解決這些問(wèn)題。由ADI公司開(kāi)發(fā)并向HART通信基金會(huì)[1]注冊(cè)的一個(gè)示例解決方案專(zhuān)門(mén)用于此類(lèi)設(shè)計(jì)。

大部分智能變送器是環(huán)路供電型(雙線)器件。從環(huán)路獲得的電源必須為儀表內(nèi)的一切供電，包括傳感器和所有支持電子電路。最小環(huán)路電流為4 mA，因此這種設(shè)計(jì)只能使用3.5 mA(“低報(bào)警”設(shè)置)，這是允許的最大系統(tǒng)功耗。所以，為智能變送器設(shè)計(jì)選擇器件時(shí)，功耗是首要考慮因素。

智能變送器常常位于危險(xiǎn)或遠(yuǎn)程區(qū)域，難以直接接觸以執(zhí)行常規(guī)系統(tǒng)維護(hù)任務(wù)。這正是預(yù)防性維護(hù)功能發(fā)揮重要作用的場(chǎng)合，無(wú)需部署維修人員前往現(xiàn)場(chǎng)。因此，器件越來(lái)越需要了解自身的健康狀況。

變送器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA模擬環(huán)路向控制室傳送過(guò)程變量。對(duì)于過(guò)程關(guān)鍵型測(cè)量，這是首選通信方式，因?yàn)樗浅？煽?，本身?duì)噪聲和壓降不敏感。在現(xiàn)場(chǎng)集成更多智能功能已然成為一種趨勢(shì)，在此背景下，HART?(可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道)通信也開(kāi)始成為整個(gè)行業(yè)的最佳雙向通信協(xié)議，用以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間以數(shù)字方式傳輸額外的診斷信息。簡(jiǎn)而言之，直流和低頻4-20 mA電流信號(hào)由獨(dú)立的更高頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，高頻信號(hào)在一對(duì)頻率之間切換：1.2 kHz和2.2 kHz；這種技術(shù)稱(chēng)為頻移鍵控(FSK)。此1 mA峰峰值FSK信號(hào)被調(diào)制到模擬電流信號(hào)上，原始主變量傳輸不中斷。

像所有應(yīng)用一樣，可用的PCB面積是有限的，因此需要對(duì)所用器件的類(lèi)型和尺寸進(jìn)行限制。此外，變送器外殼尺寸縮小以及對(duì)補(bǔ)充功能的需求，進(jìn)一步限制了PCB面積。結(jié)果，每個(gè)組件都需要高集成度的芯片解決方案。

隨著系統(tǒng)級(jí)集成變得日益普遍，困難開(kāi)始轉(zhuǎn)向增強(qiáng)系統(tǒng)性能方面，即器件的精度和分辨率。根據(jù)絕對(duì)精度和溫漂選擇具有所需性能和總誤差的器件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)精確、穩(wěn)定的變送器解決方案至關(guān)重要。這同樣有助于消除多種高成本校準(zhǔn)程序，從而降低生產(chǎn)成本，提高最終系統(tǒng)的可制造性。

以上考察了市場(chǎng)上的一些主要發(fā)展趨勢(shì)，接下來(lái)，我們將詳細(xì)探討一種真實(shí)的環(huán)路供電型4-20 mA智能變送器信號(hào)鏈。

圖3信號(hào)鏈中所示的兩種傳感器常用于智能變送器設(shè)計(jì)，其中的主變量取決于輔助變量(例如主變量的溫度補(bǔ)償)。檢測(cè)元件測(cè)量環(huán)境參數(shù)或過(guò)程變量。傳感器輸出信號(hào)需要進(jìn)行調(diào)理和放大。通常使用低噪聲精密儀表放大器。重要的是低噪聲與低功耗之間應(yīng)實(shí)現(xiàn)良好的平衡。經(jīng)過(guò)調(diào)理的傳感器信號(hào)隨后由ADC采樣。為提供高性能16位現(xiàn)場(chǎng)儀表輸出，需要使用分辨率高于16位的ADC。常常選用高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍的-型ADC。 ADC輸出信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理是信號(hào)鏈中的下一級(jí)。這是在微控制器中完成。通常使用10 MIPS以上的32位RISC控制器，比如ARM Cortex?-M3。該控制器還需要輔助以適當(dāng)大小的閃存SRAM和其它外設(shè)，例如：上電復(fù)位功能、時(shí)鐘產(chǎn)生、數(shù)字接口和一系列診斷功能。微控制器(μC)是一個(gè)復(fù)雜元件，可能需要很大功率，所以每毫瓦功率能夠完成的處理越多越好。

除了處理測(cè)量之外，C還用于控制DAC，再由DAC控制環(huán)路電流。除了DAC的低功耗要求以外，信號(hào)鏈選擇該器件的其他重要考慮是高精度、溫度穩(wěn)定性和固有診斷功能，所有這些都有助于增強(qiáng)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。 DAC基準(zhǔn)源的精度和穩(wěn)定性同樣至關(guān)重要。

饋入DAC的是HART調(diào)制解調(diào)器，它與C的UART接口一道，支持智能變送器設(shè)計(jì)的HART通信，在檢索儀器的過(guò)程和診斷信息方面起著重要作用。同樣，低功耗和小尺寸是選擇HART調(diào)制解調(diào)器組件時(shí)的重要考慮因素。拼圖的最后一塊是電源管理電路(如圖3所示)，圖中顯示為穩(wěn)壓器模塊。它直接從環(huán)路獲取電源，并提供穩(wěn)壓電源以為圖中所示全部變送器信號(hào)鏈器件供電。

在每微安都非常重要的此類(lèi)應(yīng)用中，圖4所示支持HART的智能變送器演示電路(CN-0267) [2]具有至關(guān)重要的作用。該電路由ADI公司開(kāi)發(fā)而成，采用ADuCM360 [3](一款精密模擬微控制器)、AD5421 [4]4](一款16位、4-20 mA環(huán)路供電型DAC)和AD5700[5](一款符合HART標(biāo)準(zhǔn)的IC調(diào)制解調(diào)器。模擬前端電路針對(duì)低功耗工作模式而優(yōu)化，同時(shí)還能維持所需要的高模擬性能。微控制器內(nèi)核可以配置為普通工作模式，功耗為290 A/MHz。它提供極其靈活的內(nèi)部電源管理選項(xiàng)，以多種內(nèi)部時(shí)鐘速率選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)功耗折衷，同時(shí)還可動(dòng)態(tài)地將功率輸送到內(nèi)部模塊。 HART的典型發(fā)射和接收電流分別為124 μA和86 μA，占總功耗預(yù)算的比例有限。類(lèi)似地，環(huán)路供電型DAC的最大靜態(tài)電流只有300 μA，總非調(diào)整溫度誤差為±0.048% FSR，在實(shí)現(xiàn)傳輸測(cè)量信息粒度最大化的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)功耗無(wú)負(fù)面影響。

更詳細(xì)地研究此解決方案，并將其與圖3說(shuō)明的通用信號(hào)鏈進(jìn)行比較：

微控制器片上ADC 0測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)儀表主要傳感器，本例中是一個(gè)阻性電橋壓力傳感器，第二個(gè)片上ADC則用來(lái)測(cè)量次要溫度傳感器信號(hào)。這樣可以實(shí)現(xiàn)主傳感器的溫度補(bǔ)償。兩個(gè)儀表放大器同樣集成到微控制器芯片上，此外還有激勵(lì)電流源、基準(zhǔn)電壓源和其它支持模擬電路。所有現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)字功能都由低功耗32位ARM Cortex-M3 RISC處理器提供。

此設(shè)計(jì)中的第二個(gè)重要元件是環(huán)路供電DAC(AD5421)，它通過(guò)SPI接口與微控制器集成。該DAC是一款完整的環(huán)路供電型數(shù)字4mA-20mA轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源、環(huán)路接口級(jí)和可編程電壓調(diào)節(jié)電路，它們都是從環(huán)路獲取低功耗電源，并為自身以及變送器信號(hào)鏈的其他元件供電所必需的。DAC還提供多個(gè)片內(nèi)診斷功能，所有這些功能都可由微控制器配置和讀取，但也可以自主工作。

最后，HART調(diào)制解調(diào)器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)UART接口連接到微控制器。HART輸出通過(guò)容性分壓器調(diào)整至所需幅度，并耦合至DAC的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅(qū)動(dòng)和調(diào)制輸出電流。HART輸入通過(guò)簡(jiǎn)單無(wú)源RC濾波器從LOOP+耦合。RC濾波器作為第一級(jí)，用作HART解調(diào)器的帶通濾波器，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力——這對(duì)于穩(wěn)定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用而言非常重要。HART調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘由片上低功耗振蕩器生成，具有3.8664 MHz外部晶振，使用兩個(gè)8.2 pF接地電容，直接連接到XTAL引腳。這種配置使用的功耗最低。

表1列出了該DEMO-AD5700D2Z系統(tǒng)中的電流詳細(xì)情況。系統(tǒng)不但支持低功耗工作，同時(shí)也是一種高性能的解決方案，面積開(kāi)銷(xiāo)最小，還符合HART規(guī)范。已通過(guò)兼容性測(cè)試和驗(yàn)證，并注冊(cè)為HART通信基金會(huì)認(rèn)證的HART解決方案。這一成功注冊(cè)可讓電路設(shè)計(jì)人員極其放心地使用電路中的元件。

表1. 演示電路的功耗計(jì)算

總而言之，以上所述電路展示了一種可能的解決方案，可以應(yīng)對(duì)環(huán)路供電智能變送器設(shè)計(jì)面臨的多重挑戰(zhàn)，以滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。以上綜述了變送器信號(hào)鏈，并提供ADI公司解決方案，旨在直接應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，平衡每個(gè)組件所需的功耗分配，從而產(chǎn)生綜合全面的信號(hào)鏈，滿足現(xiàn)代多功能市場(chǎng)領(lǐng)先型智能變送器設(shè)計(jì)在功耗、性能、尺寸和診斷方面的要求。

參考電路

[1] HART通信基金會(huì)www.hartcomm.org

[2] CN-0267“帶有HART接口的完整4-20 mA環(huán)路供電型現(xiàn)場(chǎng)儀表”www.analog.com/cn0267

[3]ADuCM360 www.analog.com/aducm360

[4]AD5421 www.analog.com/ad5421

[5]AD5700 www.analog.com/ad5700