作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了充分發揮工業 4.0 的潛力，設計人員需要從惡劣環境中獲取數據，并將數據安全、可靠地傳輸到控制系統。雖然已經有了實現這一愿景的關鍵技術，但設計人員在尋找和實現有效解決方案時一直是孤軍奮戰。設計人員需要解決方案來簡化互聯、智能的現場儀表的實現，從而完成加工行業的數字化轉型。

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、智能現場儀表日益增長的需求。

現場儀器依賴于四個關鍵功能

在工業自動化部署中，現場儀表包括一系列信號處理設備，確保現場終端傳感器和執行器與用于管理這些設備及其數據的主機系統之間進行可靠的數據和控制交換。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轉換器 (ADC) 或數模轉換器 (DAC) 連接的傳感器或執行器對接
• 提供用于信號調節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、隔離和監控功能
• 為可靠、安全地交換數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行器的應用提供支持，設計人員可解決典型現場儀表的這些功能要求（圖 1）。

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

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

工業 4.0 推動對更先進功能的需求

在傳感器或執行器接口上，高分辨率、高帶寬傳感器的數量和種類越來越多，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，為實現更高的邊緣智能，需要能夠在邊緣高效執行人工智能 (AI) 算法的先進處理器，以提高現場儀器的效率并增強工業安全。鑒于面對的威脅越來越多，這些工具的安全仍然至關重要。

傳統的 4-20 毫安 (mA) 電流環路設備通常可為儀表提供每秒 1.2 千比特 (Kb/s) 的速率和低于 40 毫瓦 (mW) 的功率，與之相比，先進現場儀表需要更高的數據帶寬和傳輸功率。10BASE-T1L 支持每秒 10 兆比特 (Mb/s) 的數據帶寬，在 0 區可提供最高 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有電纜。

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

[]圖 2：在設計智能現場儀表時，設計人員面臨的挑戰是既要滿足新出現的功率和數據帶寬要求，又要支持現有的工業應用。（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有和新出現工業自動化系統對智能現場儀表的要求。

用全套設備滿足對先進現場儀器的要求

典型的現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 提供了從大多數有源和無源傳感器生成數字數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，設計人員可以使用 Analog Devices 的 [ADuCM36x] 系列 MCU 來管理 AFE 并執行其他信號處理、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，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行神經網絡。高性能 MCU 通過 Analog Devices 的 [ADUM1440]數字隔離器與傳感器子系統隔離，負責管理現場儀器操作、附加外設和連接。

這些 MCU 專為工業自動化而設計，可滿足不同的專業應用要求。例如，MAX32675 非常適合 4-20 mA 電流環路應用，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。

為了給現場儀表中的器件提供穩壓電源，設計人員通常會采用低壓差 (LDO) 穩壓器（如 Analog Devices 的 [ADP162]）以及 DC-DC 降壓開關穩壓器（如 Analog Devices 的 [ADP2360]）。確保為處理器子系統提供正確的供電電壓，對于在電氣噪聲環境中工作的智能現場儀表設計至關重要。利用 Analog Devices 的 [ADM8323] 監控器，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 會發出一個信號，將 MCU 保持在復位狀態。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）會在繼續執行之前確認程序代碼的真實性。為了確認代碼執行是否正常，設計人員可以使用 ADM8323 的窗口式集成看門狗定時器。

獲取傳感器數據和可靠地執行代碼是智能現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，智能連接現場儀表一直依賴于 4-20 mA 電流環路設備，并使用相位連續頻移鍵控 (FSK) HART 調制解調器協議進行數據交換。設計人員可使用 Analog Devices 的 [AD5421]4-20 mA DAC 和 [AD5700]HART 調制解調器，輕松支持現有的電流環路和 HART 協議接口。

工業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 10BASE-T1L 連接。ADIN1100 為設計提供物理 (PHY) 層收發器，而 ADIN1110 則同時集成了 PHY 收發器和媒體訪問控制 (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網現場儀表。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有現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的專門要求。例如，聯網的智能現場儀表可能需要加密和認證功能，以保護數據不被泄露，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

先進的工業自動化應用以智能現場儀表的功能為基礎，可支持更多的傳感器和執行器。為了有效地設計這些儀器，設計人員現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。