【導讀】壓力變送器是許多工業設備中用于控制工業過程和壓力變化的重要元件，可用于測量壓力、液位、流速、密度等。通常，變送器可采用電池、線路電源、環路電源供電，并包括電源、信號調理、ADC、處理器、顯示器、鍵盤、通訊等模塊。目前變送器市場熱度高漲，HART、PROFIBUS、Modbus、IO-Link等最新技術也被引入應用中，使得應用場景得到了跨越式發展。那要如何設計出適當的變送器系統呢？
技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Nathan Xiao介紹了ADI的模擬變送器、數字化變送器、智能變送器等不同類型的方案特性，并推薦了產品組合方案，包括精密放大器、精密基準電壓源、精密模數轉換器和低功耗微處理器等。
一、模擬變送器方案
早期變送器采用了純模擬的信號鏈，采用4-20mA環路供電方式，環路需要同時提供電源和數據，并且系統回路的工作電流必須小于4mA。在實際設計中，電路功耗小于或等于3.6 mA是比較典型的目標值，ADI的CN0289參考設計就是典型的純模擬信號鏈。
圖1.CN0289 4-20 mA環路供電壓力變送器
該電路有三個重要的電路級：傳感器激勵驅動、傳感器輸出放大器和電壓-電流轉換器。傳感器激勵可通過跳線切換電壓、電流驅動，傳感器最大驅動電流為2mA。傳感器輸出采用帶寬為39.6 kHz的共模濾波器(4.02 kΩ、1 nF)以及帶寬為2 kHz的差模濾波器(8.04 kΩ、10 nF)濾波；AD8226是理想的儀表放大器選擇，因為它具有低增益誤差(0.1%，B級)、低失調(G = 50時58μV，B級；G = 50時112μV，A級)、出色的增益非線性度(75 ppm = 0.0075%)以及軌到軌輸出特性。
圖2.環路供電壓力傳感器信號調理電路（未顯示所有連接和去耦）
ADI的精密儀表放大器AD620/623/627也在該模擬信號鏈中被用于前級微弱信號的放大。同時，AD8422也正在被越來越多的客戶采用。它是AD620發展到第三代的產品，采用了最新的工藝和設計技術，比歷代產品具有更高的動態范圍和更低的誤差，功耗降至三分之一。
純模擬信號鏈提供了一種簡單的低成本解決方案。不過，該方案無法線性化，也不提供溫度校準和診斷功能，傳感器或輸出范圍的任何變化也需要變動硬件。
二、數字化變送器方案
數字化變送器采用高度集成的處理器電路，可對信號進行線性化校準、溫度補償，彌補了模擬變送器在線性度、溫漂等諸多方面的不足，大大提高了壓力變送器在全溫區的精度等級。ADA4558提供了符合LIN2.1標準接口的解決方案，MAX1452提供了工業級、汽車級的解決方案，MAX40109作為MAX1452的升級產品也即將推出。
圖3.MAX40109功能框圖
MAX40109是一款高度集成的單芯片解決方案，在MAX1452基礎上增加并優化了許多專用功能：
表1. MAX40109、MAX1452功能比較
1、傳感器零點校準：通過16位DAC，在PGA前端提供了最大±90mV/V校準，可將傳感器信號調節至真零；
2、PGA：壓力通道的PGA可在5-2520間設置，基于傳感器的零點校準功能，2520倍的放大帶來更大的動態信號范圍；
3、測溫：可通過電橋或外部測溫器件兩種方式獲取溫度信息，方便系統進行溫度補償；
4、MTP：存儲器可編程40次，相對于其他的OTP產品具有了更大的優勢；
圖4.傳感器校準框圖
5、4P4T：小型數字信號處理器（DSP）用于處理轉換后的傳感器數據以及溫度和非線性校正，最多可實現4P4T的校準，可去除陶瓷補償板以節省系統成本；
6、供電范圍：相對于其他產品，MAX40109具有更寬的供電范圍(3V-36V)，可進一步簡化設計、減少外圍器件數量。
圖5.MAX40109 EVKit GUI
ADI同時也提供基于MAX40109 Demo的單套標定軟件，方便用戶進行快速評估。
三、智能變送器方案
隨著自動檢測與控制技術的不斷發展，對變送器的測量精度、信號傳輸距離、輸出信號的多元化功能等提出了更高的要求，產品更趨向于信息化、系統化、網絡化。
ADI公司提供種類豐富的高集成度、超低功耗且安全可靠的基于Arm?的微控制器，并提供多種存儲器大小、內核和外設選擇，幫助工程師靈活設計現場儀器。ADuCM360系列微控制器具備超強模擬性能；新款MAX32675包含穩健可靠的安全特性。集成BLE5的MAX32680是在過程設備中實現Bluetooth?連接的出色選擇。
1、ADuCM360
圖6.CN0267 4-20mA環路供電解決方案
CN0267是基于ADuCM360設計的具有HART接口的完整4-20mA環路供電解決方案，該電路已通過兼容性測試和驗證，并通過了HART通信基金會(HCF)的注冊。這一成功注冊可讓電路設計人員極其放心地使用電路中的一個或全部元件。
圖7.具有HART接口的4-20mA環路供電解決方案框圖
該電路使用了超低功耗精密模擬微控制器ADuCM360、16位環路供電數模轉換器AD5421，以及業界功耗極低、尺寸極小的HART兼容型IC調制解調器AD5700。
圖8.ADuCM360內部功能框圖
ADuCM360集成了雙通道、24位Σ-Δ型模數轉換器，同時還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準電壓源、可編程電流源等。支持直接與多個模擬傳感器對接，如壓力傳感器電橋、電阻式溫度傳感器、熱電偶以及工業用途的其它各類傳感器。由于可用于幾乎所有的傳感器現場儀器，這款解決方案并不局限于溫度補償型的壓力測量。
2、MAX32675
圖9.MAX32675功能框圖
圖10.MAX32675變送器應用框圖
MAX32675是一款基于Cortex?-M4F、具有強大安全功能的低功耗微控制器，除了具備ADuCM360的高性能模擬前端外，內部增加了HART模塊，在功耗、Flash等方面也有了進一步的提升，是一款更高性價比的智能變送器解決方案。
表2.MAX32675、ADuCM360參數比較
3、EPSH-SPTMX75-2W
圖11.EPSH-SPTMX75-2W
為了便于用戶評估MAX32675在兩線制壓力變送器方面的性能，Excelpoint世健技術團隊設計了參考方案 EPSH-SPTMX75-2W，通過硬件平臺及傳感器線性補償算法等軟件，配合PC端的調試軟件GUI對變送器進行出廠前的調試、參數設置。降低了單片機和軟件平臺開發的難度，縮短客戶開發時間，加速客戶產品上市周期。
表3.MAX32675恒流源測試
恒流供電型的壓力變送器對溫漂指標較為關注，在EPSH-SPTMX75-2W方案上，現場進行了恒流源溫漂的實際測量，最終溫漂參數為33ppm/℃。
表4.1MPa測試數據
表5.10kPa/100kPa/3MPa測試數據
測量精度方面，使用EPSH-SPTMX75-2W方案在1MPa量程上進行了多種激勵電流和PGA放大倍數的測試，綜合精度均小于0.05%；同時在10kPa、100kPa、3MPa多種量程上，采用固定600uA激勵、32倍PGA放大倍數下進行了測試，由于壓力源問題在10kPa和100kPa量程處誤差偏大。
4、其他智能化產品
在整個工廠內進行先進及高水平的工業連接是數字化轉型的基石。沒有工業連接，則無法提供可靠的方法來將大量工業數據轉化為洞察力，從而做出明智的決策，最終實現更好的業務產出和行業顛覆。新一代工業連接將資產和技術連接在一起，形成一個高效、有彈性且靈活的生態系統，可以輕松適應獨特的制造需求并兼顧未來趨勢。
圖12.工業4.0連接
IO-Link?技術可促使傳統傳感器轉變為智能傳感器，讓實時可配置的工廠車間成為現實。ADI公司的IO-Link主機和器件收發器產品系列非常強大且高度靈活，有助于將一些智能功能從PLC轉移到更靠近工廠車間的傳感器。高度集成且穩健可靠的MAX22513 IO-Link器件收發器內置了一個高效率DC-DC降壓調節器，功耗降低了50%，同時體積僅為其他雙通道解決方案的50%。除此之外，MAX14819/MAX14819A IO-Link主機收發器還集成了UART幀處理器，因而無需外部UART，減少了系統微控制器的寶貴開銷。
圖13.IO-Link連接示意
低功耗10BASE-T1L MAC PHY和配套的ADIN1100 PHY正在推動向無縫連接現場設備的過渡，并通過1.7km的單對以太網(SPE)電纜將以太網APL一直延伸到過程智能邊緣。MAC PHY支持通過SPI連接各種主機控制器，從而實現較低功耗的系統設計和優化型系統分區。下表為應用于壓力變送器的ADI特色器件。
表6.ADI變送器應用特色產品
工業4.0已經到來，借助邊緣到云計算、分析、軟件可配置系統等方面的重大技術進步，有望極大地提高生產力、靈活性和安全性。壓力變送器向以太網的過渡將會逐步進行，同時傳統的4 mA至 20 mA模擬連接仍會繼續使用。ADI公司能提供全面的產品組合方案，Excelpoint世健提供相關技術指導和支持，幫助客戶立足眼前、面向未來，以更智能方式和更快速度向前邁進。
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