【導(dǎo)讀】電阻溫度檢測器 (RTD) 具有精度高、感應(yīng)范圍廣、經(jīng)久耐用等許多理想的特性，因而被廣泛作為傳感器使用。在傳統(tǒng)的實施中，可在電流驅(qū)動的 RTD 上感應(yīng)到與溫度成正比的電壓，該電壓被轉(zhuǎn)換為 4 mA 至 20 mA 的模擬電流，通過有線“變送器”發(fā)送至系統(tǒng)讀出器或操作員。
電阻溫度檢測器 (RTD) 具有精度高、感應(yīng)范圍廣、經(jīng)久耐用等許多理想的特性，因而被廣泛作為傳感器使用。在傳統(tǒng)的實施中，可在電流驅(qū)動的 RTD 上感應(yīng)到與溫度成正比的電壓，該電壓被轉(zhuǎn)換為 4 mA 至 20 mA 的模擬電流，通過有線“變送器”發(fā)送至系統(tǒng)讀出器或操作員。
雖然這種方法有效、直接并有利，但與基于數(shù)字和處理器的架構(gòu)不兼容。針對這個問題，提出的一個解決方案是升級變送器，使用內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 在源處將 RTD 信號數(shù)字化，并通過合適的輸入/輸出 (I/O) 格式和協(xié)議來傳輸信號。
然而，這些升級還不足以滿足智能工廠的需求。當(dāng)今的工業(yè)系統(tǒng)需要的不僅是 RTD 信號的數(shù)字化表示。它們需要多通道操作、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及各種形式的故障檢測和錯誤檢查，以確保接收的數(shù)據(jù)有效。
當(dāng)今的工業(yè)系統(tǒng)還需要一些技術(shù)手段，對傳感器接口的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整。最后，它們還需要功能強大、支持高級設(shè)置和數(shù)據(jù)報告功能并能確保數(shù)據(jù)完整性的 I/O 格式和接口。
本文概述了 RTD 及其演進(jìn)過程。文中作為一種接口選項介紹了 IO-Link，并說明了如何利用先進(jìn)的模擬前端 (AFE) 和信號調(diào)節(jié) IC，實現(xiàn)基于 RTD 的高性能溫度感測通道。本文還介紹了一種合適的工具套件，用以幫助評估用于 RTD 實施的 IO-Link 收發(fā)器。
RTD 基礎(chǔ)知識
電阻溫度檢測器 (RTD) 將溫度這一物理變量轉(zhuǎn)化為電信號，通常用于測量 -200 至 +850°C 的溫度，在此溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度線性響應(yīng)。RTD 中常用的金屬元素包括鎳 (Ni)、銅 (Cu) 和鉑 (Pt)，其中最常見的是 Pt100 (100 Ω) 和 Pt1000 (1000 Ω) 鉑 RTD。
RTD 接口可由兩線、三線或四線組成，其中三線和四線型號使用最為廣泛。由于 RTD 是無源器件，因此需要勵磁電流來產(chǎn)生輸出電壓。該輸出電壓通常使用基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生，由運算放大器 (op amp) 進(jìn)行緩沖。這樣可以驅(qū)動電流流入 RTD，在其兩個端子上產(chǎn)生隨溫度變化而變化的輸出電壓信號。
該信號從幾十到幾百 mV 不等，具體取決于使用的 RTD 類型和測量的溫度。然后，該信號經(jīng)過調(diào)節(jié)，并發(fā)送至模擬讀出器、長圖記錄儀、數(shù)字顯示屏或基于處理器的控制系統(tǒng)。
始于全模擬回路
過去，工業(yè)測量和控制系統(tǒng)使用的基本電子接口是 4 至 20 mA 的電流回路。該接口鏈路可用于傳感器和致動器。對于傳感器而言，傳感器發(fā)出的信號在信號源處經(jīng)過放大和調(diào)節(jié)，然后轉(zhuǎn)換為 4 mA（代表范圍下限）至 20 mA（代表范圍上限）的信號（圖 1）。
圖 1：過去，工業(yè)環(huán)境中的溫度測量依賴于 RTD 和位于一定距離外的讀出器之間的 4 mA 至 20 mA 電流回路。（圖片來源：Analog Devices）
傳感器與讀出器之間的距離可達(dá)幾十甚至幾百英尺，因而該鏈路使用電流回路有幾個原因：
· 由于是電流信號源而非電壓驅(qū)動信號源，因此回路不受距離影響；無需擔(dān)心 IR 壓降，電流也不會在回路導(dǎo)線中“損失”。
· 作為一種低阻抗鏈路，它對電磁干擾 (EMI) 拾取和信號損壞具有相對較強的免疫力，即使在長距離傳輸時也是如此。
· 最后，電流回路具有自診斷功能：如果回路斷開（最常見的故障模式），電流會下降至零。這種電流下降很容易被檢測到。
進(jìn)行全模擬信號處理的電子裝置稱為變送器。早期基于 IC 的變送器需要單獨的本地電源才能工作。電源用于激勵傳感器（如果需要），并為調(diào)節(jié)電路供電。后來，低功率變送器 IC 增加了各種功能和特性，包括一項非常重要的功能，即“回路供電”，可從回路電流“未使用”的 4 mA 汲取工作電流，因而無需本地電源。
例如，Analog Devices 的 AD693 是上世紀(jì) 80 年代推出的一款回路供電的 4 mA 至 20 mA 傳感器變送器（圖 2）。此器件現(xiàn)在仍有最初的陶瓷雙列直插式封裝 (DIP) 款型和更新的表面貼裝封裝款型，印證了這款主要面向工業(yè)的 IC 的長久生命力。
圖 2：全模擬、回路供電 AD693 RTD 變送器無需在電流回路的 RTD 接口端使用電源。（圖片來源：Analog Devices）
走向數(shù)字化
隨著數(shù)字化控制成為標(biāo)準(zhǔn)，我們必需將模擬電流回路信號數(shù)字化。如今，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要使用 AFE 來放大和調(diào)節(jié)低振幅 RTD 信號，以便 ADC 將信號數(shù)字化。然后，再通過通信接口將數(shù)字化信號發(fā)送到過程控制器，如微控制器單元 (MCU)（圖 3）。
圖 3：轉(zhuǎn)換為數(shù)字化控制需要具有 MCU 兼容輸出的 AFE。（圖片來源：Analog Devices）
由于敏感的 AFE 與數(shù)字 I/O 在技術(shù)和 IC 工藝要求上存在沖突，因而實施關(guān)鍵的 AFE 和相關(guān)數(shù)字接口電路具有一定挑戰(zhàn)性，而且需要多個 IC。幸運的是，隨著 IC 技術(shù)的進(jìn)步，高度集成的單芯片 RTD 接口成為可能。此外，這些集成的 IC 還集成了構(gòu)建更先進(jìn)、無差錯系統(tǒng)所必需的眾多其他功能和特性。
單芯片集成解決方案的一個實例是 AD7124-4，這是一款采用單一封裝的完整 RTD AFE（圖 4）。這款四通道、低噪聲、低功耗的 24 位 IC 包括可編程增益放大器 (PGA) 和基準(zhǔn)電壓源。該器件還能為 RTD 提供激勵電流，因而不再需要單獨的精密電流源。
圖 4：AD7124-4 是完整的多通道 RTD 接口，包括電流源、信號調(diào)節(jié)和數(shù)字化功能。（圖片來源：Analog Devices）
除了 AD7124-4 內(nèi)嵌的核心功能外，該器件還提供多種類型和級別的自診斷和錯誤檢測功能，有助于通過安全完整性等級 (SIL) 認(rèn)證。該認(rèn)證對于高可靠性和任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用至關(guān)重要。
AD7124-4 與相關(guān) MCU 之間的數(shù)字接口是三線或四線串行接口，兼容 SPI、QSPI、MICROWIRE 和 DSP。不過，此類接口不適合直接連接，也不適用于長信號路徑。相反，這種長鏈路需要通過接口/格式轉(zhuǎn)換器或適配器來形成，該器件需要實施選定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以連接到過程控制器。該接口可能會使用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如 PROFINET 或工業(yè)以太網(wǎng)。
但是，使用這些專用接口有幾個缺點。例如，在傳感器設(shè)計中增加網(wǎng)絡(luò)專用電路會大幅增加成本，尤其是在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為專有網(wǎng)絡(luò)的情況下。另外還會讓傳感器的市場限制在已使用該網(wǎng)絡(luò)的客戶中。要讓同一個傳感器在不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下工作，就必須重新設(shè)計。
另一個令人頭疼的復(fù)雜問題是，不同類型的網(wǎng)絡(luò)在診斷功能的數(shù)量和類型上存在很大差異。根據(jù)所選擇的接口格式和協(xié)議，工廠操作人員可能很難識別和維護(hù)傳感器，也很難解決現(xiàn)場安裝后出現(xiàn)的任何性能問題。
IO-Link 解決連接難題
智能工廠的設(shè)計人員需要智能、靈活、易于部署的傳感器和致動器，以便更好地進(jìn)行決策，實現(xiàn)更易優(yōu)化的制造流程。一種可行的方法是設(shè)計一種獨立于各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的傳感器，從而降低開發(fā)成本，擴大潛在客戶群。IO-Link 技術(shù)讓傳統(tǒng)傳感器變得智能化，從而實現(xiàn)了這種方法。
通過使用 IO-Link 主站和設(shè)備收發(fā)器，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計人員可以采用強大而靈活的方式，將智能功能從可編程邏輯控制器 (PLC) 或其他系統(tǒng)控制器遷移到更接近工廠車間內(nèi)傳感器的位置（圖 5）。
圖 5：借助傳感器 MCU 和過程控制器之間的 IO-Link 主站和設(shè)備收發(fā)器，工業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)變得更加強大和靈活。（圖片來源：Analog Devices）
IO-Link 是一種三線點對點通信接口，采用標(biāo)準(zhǔn)化的連接器、電纜和協(xié)議，可將傳感器（和致動器）與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)連接起來。在 IO-Link 應(yīng)用中，收發(fā)器充當(dāng)物理層 (PHY) 接口，連接 MCU 或其他運行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的控制器。IO-Link 設(shè)計用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三線制傳感器和致動器基礎(chǔ)架構(gòu)，由 IO-Link 主站和 IO-Link 設(shè)備組件組成（圖 6）。
圖 6：IO-Link 物理互連包括一個 IO-Link 主站，并支持多個 IO-Link 設(shè)備組件。（圖片來源：Analog Devices）
使用 IO-Link 的優(yōu)勢在于它可以傳輸四種不同類型的數(shù)據(jù)：過程、診斷、配置和事件。這樣，一旦傳感器發(fā)生故障，就能快速識別、追蹤和處理。IO-Link 還支持遠(yuǎn)程配置。例如，如果需要更改觸發(fā)過程警報的溫度閾值，技術(shù)人員可以遠(yuǎn)程完成操作，而無需進(jìn)入工廠車間。
IO-Link 主站（多端口控制器或網(wǎng)關(guān)）與 IO-Link 設(shè)備（傳感器或致動器）之間的點對點連接使用了工業(yè)系統(tǒng)常用的標(biāo)準(zhǔn)連接器（使用最廣泛的是 M8 和 M12 連接器），以及最長可達(dá) 20 米的非屏蔽電纜。主站可有多個端口（最常見的是四個或八個）。
主站的每個端口都連接至唯一的 IO-Link 設(shè)備，該設(shè)備可在標(biāo)準(zhǔn) I/O (SIO) 單輸入/單輸出模式或雙向通信模式下工作。IO-Link 旨在與現(xiàn)有的工業(yè)架構(gòu)（如現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)）配合使用。它可連接到現(xiàn)有的 PLC 或人機接口 (HMI)，從而實現(xiàn)快速應(yīng)用（圖 7）。
圖 7：IO-Link 可與一系列現(xiàn)有工業(yè)架構(gòu)配合使用，還可與現(xiàn)有 PLC 或人機界面連接。（圖片來源：Analog Devices）
鑒于工業(yè)應(yīng)用和安裝的現(xiàn)實情況，IO-Link 主站或控制器可將被替換 IO-Link 傳感器的參數(shù)自動寫入新傳感器。這一功能讓我們能夠快速無誤地更換傳感器，并可縮短更換傳感器后重新啟動系統(tǒng)運行所需的時間。
系統(tǒng)中的 IO-Link 功能可減少維護(hù)工作，延長正常運行時間，并將傳感器手動安裝轉(zhuǎn)化為用戶“即插即用”的方式。參數(shù)設(shè)置可從控制器下載，以便設(shè)置或重新配置設(shè)備。這意味著不再需要技術(shù)人員在車間進(jìn)行初始設(shè)置，并且重新配置設(shè)備時的機器停機時間也會減少。借助 IO-Link，可以進(jìn)行連續(xù)診斷、改進(jìn)數(shù)據(jù)記錄并增強錯誤檢測，從而進(jìn)一步降低運營成本。
收發(fā)器實現(xiàn)物理鏈路
我們需要使用收發(fā)器才能在物理層實現(xiàn) IO-Link。MAX14828ATG+ IO-Link 設(shè)備收發(fā)器 IC 和配套的 MAX14819ATM+ IO-Link 主站收發(fā)器是高度集成的 IC，非常適合構(gòu)建強大的傳感器解決方案，同時還可節(jié)省空間。另外還有用于電源的板載低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器，以及用于本地指示燈的 LED 驅(qū)動器。
MAX14828ATG+ IO-Link 收發(fā)器集成了工業(yè)傳感器中常見的高壓功能（圖 8）。該器件帶有一個超低功耗驅(qū)動器，提供有源極性反向保護(hù)功能。其還提供輔助數(shù)字輸入，以便通過 UART 接口進(jìn)行固件更新。該器件包括板載 3.3 V 和 5 V 線性穩(wěn)壓器，以實現(xiàn)低噪聲模擬/邏輯電源軌。
圖 8：MAX14828ATG+ IO-Link 收發(fā)器 IC 提供傳感器 MCU 與物理鏈路（連接器和電纜）之間的關(guān)鍵接口。（圖片來源：Analog Devices）
MAX14828ATG+ 的配置和監(jiān)控可通過 SPI 接口進(jìn)行，也可通過設(shè)置邏輯接口引腳進(jìn)行。該器件具有多種可編程功能，允許用戶針對各種負(fù)載和應(yīng)用場景來優(yōu)化運行和功耗，從而實現(xiàn)應(yīng)用靈活性和可定制性。
高電壓容差增強了瞬態(tài)保護(hù)功能，因而允許使用微型瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 器件。其他保護(hù)功能包括：接口和電源引腳的 65 V 絕對最大額定電壓、可改進(jìn)猝發(fā)恢復(fù)能力和噪聲性能的毛刺濾波器、熱關(guān)斷、熱插拔電源保護(hù)、所有傳感器接口輸入和輸出端的反極性保護(hù)。該收發(fā)器采用 4 × 4 mm 的 24 引腳 TQFN 封裝，或者采用 2.5 × 2.5 mm 的晶圓級封裝 (WLP)。工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C。
MAX14819ATM+ 是一款低功耗、雙通道 IO-Link 主站收發(fā)器，設(shè)計用于與 MAX14828ATG+ 配合使用，但不僅限用于該配套 IC（圖 9）。該器件還提供傳感器/致動器電源控制器，并有兩個輔助數(shù)字輸入通道。其完全符合最新的 IO-Link 以及二進(jìn)制輸入標(biāo)準(zhǔn)和測試規(guī)范，例如 IEC 61131-2、IEC 61131-9 SDCI 和 IO-Link 1.1.3。
圖 9：MAX14819ATM+ 雙通道 IO-Link 主站收發(fā)器完全符合最新的 IO-Link 標(biāo)準(zhǔn)以及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。（圖片來源：Analog Devices）
MAX14819ATM+ 帶有集成的 IO-Link 成幀器，因而無需外部 UART。但其可配置為使用外部 UART。為便于選擇相關(guān) MCU，該主站收發(fā)器帶有可與 UART 和 FIFO 配合使用的幀處理程序。MAX14819ATM+ 還帶有自主循環(huán)定時器，從而減少了對精確控制器定時的需求。集成的通信建立序列器還可簡化喚醒管理。
與 MAX14828ATG+ 一樣，MAX14819ATM+ 也提供本地電源軌，并具有額外的保護(hù)功能。其集成了兩個低功耗傳感器電源控制器，具有先進(jìn)的限流、反向電流阻斷和反極性保護(hù)功能，可實現(xiàn)穩(wěn)健的低功耗解決方案。其他保護(hù)功能包括：所有接口引腳上的反極性和耐過壓保護(hù)、實現(xiàn) TVS 靈活性的 65 V 最大絕對額定值、可改進(jìn)猝發(fā)恢復(fù)能力的毛刺濾波器。MAX14819ATM+ 采用 48 引腳 TQFN 封裝，尺寸為 7 × 7 mm，擴展工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。
用于 IO-Link 設(shè)計開發(fā)的評估套件
一般來說，獲得 IO-Link（特別是 MAX14828ATG+ IO-Link 收發(fā)器）的實踐經(jīng)驗，是保持設(shè)計進(jìn)度的重要步驟。為此，經(jīng)過全面組裝和測試的 MAX14828EVKIT# 評估套件包含一個符合 IO-Link 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備收發(fā)器，帶有 IO 和 SPI 接口端子（圖 10）。
圖 10：使用 MAX14828EVKIT# 評估套件，設(shè)計人員能夠快速輕松地初始化 MAX14828ATG+ IO-Link 收發(fā)器并評估其性能。（圖片來源：Analog Devices）
要運行該評估套件，必須有一臺通過 USB 電纜連接的 Windows 兼容 PC。借助相關(guān)軟件，再結(jié)合用戶提供的 24 V/500 mA 直流電源、萬用表、函數(shù)發(fā)生器和示波器，設(shè)計人員可以利用該套件進(jìn)行 MAX14828ATG+ 的配置、練習(xí)和評估。相關(guān)文檔包括設(shè)置和操作說明、原理圖、完整物料清單 (BOM)，以及印刷電路板布局各層的圖片。
總結(jié)
要在工業(yè)環(huán)境中使用 RTD 進(jìn)行有效、準(zhǔn)確、可靠的溫度測量，首先需要用于信號調(diào)節(jié)和數(shù)字化的高性能 AFE。要將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器，則需要合適的數(shù)據(jù)鏈路。如本文所述，在合適的物理層 IC 的支持下，基于 IO-Link 的傳感器接口可提供核心功能以及高級配置、故障檢測和診斷、管理功能，從而簡化并加快 RTD 智能工廠部署。
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