【導(dǎo)讀】本文介紹如何快速重新設(shè)計電阻溫度檢測器(RTD)工業(yè)溫度傳感器，以更小尺寸、支持靈活通信和遠程配置的產(chǎn)品，滿足智能工廠對溫度測量器件的需求。使用高度集成的模擬前端(AFE)和IO-Link?收發(fā)器可以實現(xiàn)上述目標(biāo)。
簡介
老話常說“沒壞就別去修它”，勸誡我們不要動手改動性能可靠、正常運行的設(shè)備。可以說，這條建議適用于許多RTD傳感器電路設(shè)計，而全球工業(yè)制造工廠通常使用這些傳感器實現(xiàn)安全、高效的溫度測量。但是，要滿足工業(yè)4.0的要求，需要提高工廠智能化水平，那么很顯然，現(xiàn)有的許多RTD傳感器無法滿足這些環(huán)境的工作要求。更小的外形尺寸、靈活通信和遠程配置能力，這是自動化工程師現(xiàn)在需要工業(yè)溫度傳感器提供的一些功能，但是現(xiàn)有的解決方案并不支持這些功能。本文將重新審視許多基于RTD的溫度傳感器設(shè)計中使用的構(gòu)建模塊，探討這些模塊在傳感器應(yīng)用中的限制因素。然后，展示如何快速重新設(shè)計這種類型的傳感器，以獲得這個新工業(yè)時代所需的功能。
圖1.基于RTD的溫度傳感器示例。
溫度傳感器構(gòu)建模塊
RTD工業(yè)溫度傳感器的構(gòu)建模塊如圖2所示。
圖2.RTD工業(yè)溫度傳感器框圖。
RTD將物理量（溫度）轉(zhuǎn)化為電信號，一般用于檢測–200°C至+850°的溫度，在這個溫度范圍內(nèi)提供高度線性的響應(yīng)。RTD中常用的金屬元素包括鎳(Ni)、銅(Cu)和鉑(Pt)，普遍使用的是Pt100和Pt1000鉑RTD。RTD有兩線、三線或四線形式，其中三線和四線形式較為常用。RTD是無源器件，需要一個激勵電流來產(chǎn)生輸出電壓。可以使用基準(zhǔn)電壓來生成這種電壓，由運算放大器進行緩沖，隨后將電流驅(qū)動到RTD，產(chǎn)生輸出電壓信號，該信號會隨溫度變化提供不同響應(yīng)。根據(jù)使用的RTD類型和測得的溫度，該信號能產(chǎn)生幾十到幾百毫伏的電壓，如圖3所示。
圖3.Pt100 RTD響應(yīng)不斷升高的溫度產(chǎn)生的電壓信號。
AFE放大并調(diào)節(jié)低振幅RTD信號，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對該信號進行數(shù)字化處理，以便微控制器運行算法對其進行非線性補償。這樣就會通過通信接口，將數(shù)字信號發(fā)送至過程控制器。AFE一般由包含多個組件信號鏈構(gòu)成，每個組件執(zhí)行一項專用功能，如圖4所示。
圖4.信號鏈中使用單個分立式組件實現(xiàn)的AFE。
許多現(xiàn)有的溫度傳感器設(shè)計都使用這種分立式方法，該方法要求使用的印刷電路板(PCB)足夠大，能夠容納所有的集成電路(IC)、信號和電源布線，并使傳感器的外殼尺寸實際上盡可能最小。還有一種更簡潔優(yōu)化的方法，就是使用集成式AFE，例如圖5所示的AD7124-4。這個緊湊型IC是一個完整的AFE，采用單個封裝，包括多路復(fù)用器、基準(zhǔn)電壓源、可編程增益放大器和Σ-Δ ADC。它還提供RTD所需的激勵電流，因此它能取代前一張圖中的五個信號鏈組件，大幅減少所需的板空間，使傳感器能夠采用更小巧的封裝。
圖5.使用AD7124-4實現(xiàn)AFE。
通信接口
許多工業(yè)傳感器設(shè)計都是使用一個（或多個）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接至過程控制器，其中包括多種版本的現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)。這需要使用專用集成電路(ASIC)來實現(xiàn)所選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是，這種方法有幾個缺點。首先，在傳感器設(shè)計中集成網(wǎng)絡(luò)專用ASIC會大幅增加成本，尤其當(dāng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為專用網(wǎng)絡(luò)時。還會使傳感器市場僅局限于使用該網(wǎng)絡(luò)的用戶。同一個傳感器要支持不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要重新設(shè)計，添加所需的ASIC，這個過程非常耗時、耗費成本而且風(fēng)險很大。最后，診斷功能的數(shù)量和類型因網(wǎng)絡(luò)類型不同存在很大差異（有些網(wǎng)絡(luò)類型不提供診斷功能）。基于具體的選擇，在傳感器安裝到現(xiàn)場后，工廠操作人員可能很難判斷傳感器的潛在問題，進行相應(yīng)的維護，并解決傳感器出現(xiàn)的性能問題。
還有一個更好的方法，就是設(shè)計一個與所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)保持獨立的傳感器，從而降低開發(fā)成本，并擴大潛在客戶群。可以使用IO-Link來完成上述設(shè)計，IO-Link是三線工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，支持傳感器（和執(zhí)行器）與所有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相連。在IO-Link應(yīng)用中，收發(fā)器充當(dāng)連接運行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的微控制器的物理層接口。使用IO-Link的優(yōu)勢在于，它能夠進行四種類型的傳輸：過程數(shù)據(jù)、診斷、配置和事件，能夠在發(fā)生故障時快速識別、跟蹤和處理傳感器。它還支持遠程配置，例如，如果需要更改觸發(fā)過程警報的溫度閾值，可以遠程進行更改，無需技術(shù)人員前往現(xiàn)場操作。MAX14828是一款低功耗、超小型IO-Link器件收發(fā)器。該器件采用(4 mm × 4 mm) 24引腳TQFN封裝和(2.5 mm × 2.5 mm)晶圓級封裝(WLP)，易于集成到工業(yè)RTD溫度（和其他類型的）傳感器中。該收發(fā)器直接與過程控制器端的IO-Link主機通信，該主機用于管理與接口ASIC之間的通信（如圖6所示），因此傳感器能夠獨立于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
圖6.控制器一側(cè)的IO-Link主機收發(fā)器執(zhí)行與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。
結(jié)論
智能工廠自動化工程師對工業(yè)溫度傳感器的期望不斷提高，包括更小尺寸、靈活通信和遠程配置能力。本文展示如何利用高度集成的AFE來快速重新設(shè)計RTD溫度傳感器，以減小其封裝尺寸。此外，還展示IO-Link器件收發(fā)器如何使傳感器能夠不依賴用于連接過程控制器的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口，而保持獨立運行。雖然本文側(cè)重于RTD溫度傳感器，但這種重新設(shè)計的方式也適用于使用熱敏電阻或熱電偶傳感器的溫度傳感器。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Brian Condell是ADI公司位于愛爾蘭利默里克的工業(yè)連接和控制部門的IO-Link產(chǎn)品應(yīng)用工程師。Brian 1997年開始在ADI工作。他于2003年畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲得電氣工程榮譽學(xué)位。他擁有超過25年的半導(dǎo)體行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗，先后擔(dān)任過多種職位，包括FAB維修技術(shù)人員、IC布局工程師、模擬設(shè)計工程師、功能安全工程師，以及最近的應(yīng)用工程師。
Michael Jackson是ADI公司全球應(yīng)用團隊的自動化終端市場專家。他擁有電子工程碩士學(xué)位。
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