【導讀】本文介紹如何快速重新設計電阻溫度檢測器(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。
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、正常運行的設備。可以說，這條建議適用于許多RTD傳感器電路設計，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的溫度傳感器設計中使用的構建模塊，探討這些模塊在傳感器應用中的限制因素。然后，展示如何快速重新設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。
溫度傳感器構建模塊
RTD工業(yè)溫度傳感器的構建模塊如圖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，在這個溫度范圍內提供高度線性的響應。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生輸出電壓。可以使用基準電壓來生成這種電壓，由運算放大器進行緩沖，隨后將電流驅動到RTD，產生輸出電壓信號，該信號會隨溫度變化提供不同響應。根據(jù)使用的RTD類型和測得的溫度，該信號能產生幾十到幾百毫伏的電壓，如圖3所示。
圖3.Pt100 RTD響應不斷升高的溫度產生的電壓信號。
AFE放大并調節(jié)低振幅RTD信號，然后由模數(shù)轉換器(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，包括多路復用器、基準電壓源、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)傳感器設計都是使用一個（或多個）工業(yè)網(wǎng)絡連接至過程控制器，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)絡協(xié)議。但是，這種方法有幾個缺點。首先，在傳感器設計中集成網(wǎng)絡專用ASIC會大幅增加成本，尤其當工業(yè)網(wǎng)絡為專用網(wǎng)絡時。還會使傳感器市場僅局限于使用該網(wǎng)絡的用戶。同一個傳感器要支持不同的網(wǎng)絡協(xié)議，需要重新設計，添加所需的ASIC，這個過程非常耗時、耗費成本而且風險很大。最后，診斷功能的數(shù)量和類型因網(wǎng)絡類型不同存在很大差異（有些網(wǎng)絡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，就是設計一個與所有工業(yè)網(wǎng)絡保持獨立的傳感器，從而降低開發(fā)成本，并擴大潛在客戶群。可以使用IO-Link來完成上述設計，IO-Link是三線工業(yè)通信標準，支持傳感器（和執(zhí)行器）與所有工業(yè)控制網(wǎng)絡相連。在IO-Link應用中，收發(fā)器充當連接運行數(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。
圖6.控制器一側的IO-Link主機收發(fā)器執(zhí)行與工業(yè)網(wǎng)絡之間的通信。
結論
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)絡接口，而保持獨立運行。雖然本文側重于RTD溫度傳感器，但這種重新設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。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，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)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(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產品應用工程師。Brian 1997年開始在ADI工作。他于2003年畢業(yè)于利默里克大學，獲得電氣工程榮譽學位。他擁有超過25年的半導體行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗，先后擔任過多種職位，包括FAB維修技術人員、IC布局工程師、模擬設計工程師、功能安全工程師，以及最近的應用工程師。
Michael Jackson是ADI公司全球應用團隊的自動化終端市場專家。他擁有電子工程碩士學位。
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