本文介紹了如何快速重新設(shè)計(jì)電阻溫度檢測(cè)器（RTD）工業(yè)溫度傳感器，以滿(mǎn)足智能工廠對(duì)具有更小外形尺寸、靈活通信和遠(yuǎn)程可配置性的溫度測(cè)量設(shè)備的需求。這可以使用高度集成的模擬前端（AFE）和IO-Link收發(fā)器來(lái)完成。?

介紹

老話(huà)說(shuō)“如果它沒(méi)有壞，就不要修理它”警告不要篡改性能可靠并定期證明其價(jià)值的東西。可以說(shuō)，這一建議適用于許多RTD傳感器中使用的電路設(shè)計(jì)，這些傳感器可以安靜有效地測(cè)量全球工業(yè)制造設(shè)施的溫度。然而，為了滿(mǎn)足工業(yè)4.0的要求，工廠變得越來(lái)越智能，并且越來(lái)越清楚的是，當(dāng)前的許多RTD傳感器將不適合這些環(huán)境。更小的外形尺寸、靈活的通信和遠(yuǎn)程可配置性是自動(dòng)化工程師現(xiàn)在對(duì)工業(yè)溫度傳感器的一些要求，但現(xiàn)有的解決方案無(wú)法支持它們。本文將重新探討許多基于RTD的溫度傳感器設(shè)計(jì)中使用的構(gòu)建模塊，并討論這些構(gòu)建模塊對(duì)傳感器應(yīng)用的限制。然后，它展示了如何快速重新設(shè)計(jì)這種類(lèi)型的傳感器，使其具備這個(gè)新工業(yè)時(shí)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)溫度傳感器的框圖。

RTD將物理量（溫度）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通常用于檢測(cè)–200°C至+850°之間的溫度，在此溫度范圍內(nèi)具有高度線(xiàn)性響應(yīng)。RTD 中常用的金屬元素包括鎳 （Ni）、銅 （Cu） 和鉑 （Pt），其中 Pt100 和 Pt1000 鉑 RTD 是最常見(jiàn)的。RTD 可以由兩線(xiàn)、三線(xiàn)或四線(xiàn)組成，但 3 線(xiàn)和 4 線(xiàn)版本最受歡迎。由于RTD是無(wú)源器件，因此需要激勵(lì)電流來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。這可以使用基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生，并由一個(gè)運(yùn)算放大器緩沖，該運(yùn)算放大器將電流驅(qū)動(dòng)到RTD中，以產(chǎn)生隨溫度變化而變化的輸出電壓信號(hào)。該信號(hào)從幾十毫伏到幾百毫伏不等，具體取決于所使用的RTD類(lèi)型和測(cè)量的溫度，如圖3所示。

圖3.Pt100 RTD 響應(yīng)溫度升高產(chǎn)生的電壓信號(hào)。

AFE在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其數(shù)字化之前放大和調(diào)理低幅度RTD信號(hào)，以便微控制器運(yùn)行算法來(lái)補(bǔ)償其包含的任何非線(xiàn)性。這將數(shù)字輸出通過(guò)通信接口發(fā)送到過(guò)程控制器。AFE通常使用信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)，每個(gè)元件執(zhí)行專(zhuān)用功能，如圖4所示。

圖4.信號(hào)鏈中使用單個(gè)分立式組件實(shí)現(xiàn)的AFE。

許多現(xiàn)有的溫度傳感器設(shè)計(jì)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(hào)和電源布線(xiàn)，并使傳感器的外殼尺寸實(shí)際上盡可能最小。還有一種更簡(jiǎn)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(gè)緊湊型IC是一個(gè)完整的AFE，采用單個(gè)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-ΔADC。它還提供RTD所需的激勵(lì)電流，因此它能取代前一張圖中的五個(gè)信號(hào)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(shí)現(xiàn)AFE。

通信接口

許多工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)都是使用一個(gè)（或多個(gè)）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接至過(guò)程控制器，其中包括多種版本的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)或工業(yè)以太網(wǎng)。這需要使用專(zhuān)用集成電路(ASIC)來(lái)實(shí)現(xiàn)所選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是，這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，在傳感器設(shè)計(jì)中集成網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用ASIC會(huì)大幅增加成本，尤其當(dāng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)時(shí)。還會(huì)使傳感器市場(chǎng)僅局限于使用該網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)。同一個(gè)傳感器要支持不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要重新設(shè)計(jì)，添加所需的ASIC，這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)、耗費(fèi)成本而且風(fēng)險(xiǎn)很大。最后，診斷功能的數(shù)量和類(lèi)型因網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型不同存在很大差異（有些網(wǎng)絡(luò)類(lèi)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(chǎng)后，工廠操作人員可能很難判斷傳感器的潛在問(wèn)題，進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，并解決傳感器出現(xiàn)的性能問(wèn)題。

還有一個(gè)更好的方法，就是設(shè)計(jì)一個(gè)與所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)保持獨(dú)立的傳感器，從而降低開(kāi)發(fā)成本，并擴(kuò)大潛在客戶(hù)群。可以使用IO-Link來(lái)完成上述設(shè)計(jì)，IO-Link是三線(xiàn)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(yùn)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(shì)在于，它能夠進(jìn)行四種類(lèi)型的傳輸：過(guò)程數(shù)據(jù)、診斷、配置和事件，能夠在發(fā)生故障時(shí)快速識(shí)別、跟蹤和處理傳感器。它還支持遠(yuǎn)程配置，例如，如果需要更改觸發(fā)過(guò)程警報(bào)的溫度閾值，可以遠(yuǎn)程進(jìn)行更改，無(wú)需技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)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(4mm×4mm)24引腳TQFN封裝和(2.5mm×2.5mm)晶圓級(jí)封裝(WLP)，易于集成到工業(yè)RTD溫度（和其他類(lèi)型的）傳感器中。該收發(fā)器直接與過(guò)程控制器端的IO-Link主機(jī)通信，該主機(jī)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(dú)立于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

圖6.與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通信由控制器側(cè)的IO-Link主機(jī)收發(fā)器執(zhí)行。

更好的方法是設(shè)計(jì)獨(dú)立于所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的傳感器，從而降低開(kāi)發(fā)成本并擴(kuò)大潛在客戶(hù)群。這可以使用IO-Link來(lái)完成，IO-Link是一種3線(xiàn)工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，可將傳感器（和執(zhí)行器）與所有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。在IO-Link應(yīng)用中，收發(fā)器充當(dāng)運(yùn)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(shì)在于它承載四種不同類(lèi)型的傳輸：過(guò)程數(shù)據(jù)、診斷、配置和事件，允許在發(fā)生故障時(shí)快速識(shí)別、跟蹤和處理傳感器。它還支持遠(yuǎn)程配置 - 例如，如果要觸發(fā)過(guò)程警報(bào)的溫度閾值需要更改，則可以遠(yuǎn)程完成，而無(wú)需技術(shù)人員踏入工廠車(chē)間。MAX14828是低功耗、超小尺寸IO-Link器件收發(fā)器。它采用（4 mm × 4 mm）24 引腳 TQFN 封裝和（2.5 mm × 2.5 mm）晶圓級(jí)封裝 （WLP），可輕松集成到基于 RTD 的工業(yè)溫度（和其他類(lèi)型的）傳感器中。收發(fā)器使傳感器獨(dú)立于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗苯优c安裝在過(guò)程控制器側(cè)的IO-Link主機(jī)通信，該主機(jī)管理與接口ASIC的通信，如圖6所示。

結(jié)論

智能工廠自動(dòng)化工程師對(duì)工業(yè)溫度傳感器的期望越來(lái)越高，包括更小的尺寸、靈活的通信和遠(yuǎn)程可配置性。本文介紹了如何使用高度集成的AFE快速重新設(shè)計(jì)RTD溫度傳感器，以減小外殼尺寸。它還展示了IO-Link設(shè)備收發(fā)器如何允許傳感器獨(dú)立于用于連接到過(guò)程控制器的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口運(yùn)行。雖然本文重點(diǎn)介紹基于RTD的溫度傳感器，但這種重新設(shè)計(jì)也可以應(yīng)用于使用熱敏電阻或熱電偶傳感器的溫度傳感器。

作者

布賴(lài)恩·康德?tīng)?/p>

Brian Condell是一名產(chǎn)品應(yīng)用工程師，在位于愛(ài)爾蘭利默里克的ADI公司從事工業(yè)連接和控制領(lǐng)域的IO-Link?工作。Brian于1997年開(kāi)始在ADI公司工作。他于2003年畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲得電氣工程榮譽(yù)學(xué)位。他在半導(dǎo)體行業(yè)擁有超過(guò) 25 年的經(jīng)驗(yàn)，擔(dān)任過(guò)從 FAB 維護(hù)到 IC 布局、模擬設(shè)計(jì)、功能安全以及最近的應(yīng)用等各種職務(wù)。他是 TUV Rheinland 的認(rèn)證功能安全工程師，負(fù)責(zé) IEC 61508 的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

邁克爾·杰克遜

Michael Jackson是ADI公司全球應(yīng)用團(tuán)隊(duì)的自動(dòng)化終端市場(chǎng)專(zhuān)家。他擁有電子工程碩士學(xué)位。

審核編輯 黃宇