作者：Stephen Evanczuk

　　為了充分發揮工業 4.0 的潛力，設計人員需要從惡劣環境中獲取數據，并將這些數據可靠、安全地傳送到控制系統。盡管存在實現這一愿景的關鍵技術推動因素，但設計人員過去一直依靠自己來確定和實施有效的解決方案。設計人員需要能夠簡化流程工業數字化轉型所需的互聯智能現場儀表實施的解決方案。

　　本文介紹了Analog Devices的綜合解決方案集的使用，該解決方案為滿足互聯智能現場儀表不斷增長的需求提供了有效的答案。

　　現場儀表依賴于四個關鍵功能

　　在工業自動化部署中，現場儀表包括信號處理設備的集合，確保現場終端傳感器和執行器之間可靠的數據和控制交換，以及用于管理這些設備及其數據的主機系統。在典型應用中，這些儀器需要支持四個關鍵功能：

　　提供與通過模數轉換器 (ADC) 或數模轉換器 (DAC) 連接的傳感器或執行器的接口

　　提供用于信號調節和終端設備控制的微控制器單元 (MCU)

　　提供儀器操作和安全所需的電源、隔離和監控

　　提供可靠、安全的數據和控制信息交換所需的各種連接選項的接口

　　設計人員通過尋找所需的 ADC、MCU、電源和連接設備來支持每個特定的傳感器或基于執行器的應用，從而滿足了典型現場儀器的這些功能要求(圖 1)。

　　圖 1：在創建現場儀器時，設計人員通過使用可用的 ADC、DAC、MCU 和其他支持設備，滿足了采集傳感器數據或控制傳感器的基本要求。 (圖片來源：Analog Devices)

　　隨著工業 4.0 面臨更嚴峻的挑戰，現場儀表設計人員面臨著越來越多的要求，要求提高邊緣智能、安全性和安全性，同時繼續提供準確可靠的數據。

　　工業 4.0 推動了對更先進功能的需求

　　在傳感器或執行器接口處，更多數量和種類的高分辨率、高帶寬傳感器需要有效的模擬前端 (AFE) 解決方案。在廣泛的傳感器信號采集和調節需求的推動下，這些儀器的處理需求相應上升。此外，對更高邊緣智能的追求需要先進的處理器能夠在邊緣高效執行人工智能 (AI) 算法，從而提高現場儀器效率并增強工業安全。面對不斷擴大的威脅，這些儀器的安全仍然至關重要。

　　與傳統的 4-20 毫安 (mA) 電流環路設備相比，隨著功能的增強，先進的現場儀器需要更高的數據帶寬和功率傳輸，傳統的 4-20 毫安 (mA) 電流環路設備通常為儀器提供 1.2 千比特每秒 (Kbits/s) 和低于 40 毫瓦的功率傳輸(毫瓦)。 10BASE-T1L 在 0 區支持每秒 10 兆位 (Mbits/s) 的數據帶寬和高達 60 瓦或 500 mW 的功率傳輸，鼓勵使用以太網-APL 進行本質安全的用例。此外，10BASE-T1L/以太網-APL 可以通過單根雙絞線電纜提供這種性能，同時可以重復使用現有已安裝的電纜。

　　即使工業系統涉及更苛刻的通信要求，支持傳統現場儀表和新興工業 4.0 應用的需求仍然存在。因此，設計人員必須通過智能現場儀表設計來應對現有棕地應用和新綠地系統的結合(圖 2)。

　　圖 2：在設計智能現場儀表時，設計人員面臨著響應新興電源和數據帶寬要求以及支持現有工業應用的挑戰。 (圖片來源：Analog Devices)

　　使用 Analog Devices 的一組先進器件，設計人員可以快速滿足現有和新興工業自動化系統所用智能現場儀表的要求。

　　通過全套設備滿足先進現場儀器的要求

　　典型的現場儀表必須滿足一系列要求。典型的壓力傳感器變送器展示了設計人員如何在自己的應用中輕松滿足這些要求(圖 3)。

　　圖 3：壓力傳感器變送器高層設計說明了典型智能現場儀表的傳感器接口、處理器、電源和連接功能的基本要求。 (圖片來源：Analog Devices)

　　在圖中的壓力傳感器發射器設計中，信號鏈必須向電阻橋壓力傳感器提供激勵電流，并測量傳感器對壓力做出反應時生成的差分電壓。這里，單個集成器件(例如 Analog Devices 的AD7124或AD4130 AFE)通過提供激勵電流作為具有數字輸出的完整多通道信號鏈的一部分來簡化傳感器接口(圖 4)。

　　圖 4：AD7124 AFE 提供從大多數有源和無源傳感器生成數字數據所需的完整多通道信號鏈。 (圖片來源：Analog Devices)

　　為了完善傳感器子系統，設計人員可以使用 Analog Devices 的ADuCM36x系列MCU來管理 AFE 并執行額外的信號處理、校準和補償。例如，設計人員可以使用 ADuCM36x MCU 的集成 24 位 ADC 來轉換溫度傳感器的讀數，以提供電阻橋傳感器的溫度補償(圖 4)。

　　為了對現場儀器進行更廣泛的處理和整體管理，設計人員可以采用高性能Arm? Cortex?-M4 MCU，例如 Analog Devices 的MAX32675或MAX32690，而新的 AI 微控制器，例如屢獲殊榮的 MAX78000 系列，確保神經網絡在邊緣的最高效率執行。該高性能 MCU通過 Analog Devices 的ADUM1440數字隔離器與傳感器子系統隔離，可管理現場儀器操作、附加外設和連接。

　　這些 MCU 專為工業自動化而設計，可滿足不同的專業應用要求。例如，MAX32675非常適合4-20 mA電流環路應用，而MAX32690集成了適用于無線應用的先進藍牙5.2低功耗(LE)無線電，以及足夠的內存來支持Profinet等大型通信堆棧。這兩款處理器通過提供集成的真隨機數生成器、高級加密標準 (AES) 引擎、安全的非易失性密鑰存儲和安全啟動來解決日益增長的安全問題。

　　為了向現場儀表中的設備提供穩壓電源，設計人員通常會使用一個低壓差 (LDO) 穩壓器(例如 Analog Devices 的ADP162)，以及一個 DC-DC 降壓開關穩壓器(例如 Analog Devices 的ADP2360)。確保處理器子系統的電源電壓正確對于在電噪聲環境中運行的智能現場儀表設計至關重要。使用 Analog Devices 的ADM8323監控器，設計人員可以確保電源電壓保持在預設電壓閾值以上。

　　在上電、斷電和掉電事件期間，ADM8323 發出一個信號，使 MCU 保持在復位狀態。當電源恢復到閾值水平以上時，ADM8323 釋放復位。此時，支持安全啟動的 MCU(例如 MAX32675 和 MAX32690)會在繼續操作之前確認程序代碼的真實性。為了確認代碼繼續正常執行，設計人員可以使用 ADM8323 的窗口集成看門狗定時器。

　　獲取傳感器數據和可靠地執行代碼是智能現場儀表操作的基本方面。在應用程序級別，可靠的通信至關重要。多年來，智能互聯現場儀表一直依賴 4-20 mA 電流環路設備和使用相位連續頻移鍵控 (FSK) HART 調制解調器協議的數據交換。設計人員可以使用 Analog Devices 的AD5421 4-20 mA DAC 和AD5700 HART 調制解調器器件輕松支持現有電流環路和 HART 協議接口。

　　工業自動化解決方案需要比早期方法更高的電壓水平和更大的帶寬，從而推動了對 10BASE-T1L 物理層標準等連接選項的需求。設計人員可以使用 Analog Devices 的ADIN1100或ADIN1110快速實現 10BASE-T1L 連接。 ADIN1100 為設計提供物理 (PHY) 層收發器，而 ADIN1110 集成了 PHY 收發器和媒體訪問控制 (MAC) 接口，無需集成 MAC 即可與低功耗處理器一起使用。

　　擴展和增強現場儀器以滿足特殊要求

　　通過添加或替換一些組件，設計人員可以擴展和增強圖 3 中相同的壓力傳感器設計，以創建其特定應用所需的連接現場儀表。例如，電磁流量變送器的設計可能使用相同的整體架構，僅根據需要添加和刪除一些組件(圖 5)。

　　圖 5：設計人員可以快速響應新的傳感器接口要求，例如此處所示的電磁流量變送器的接口要求，同時重用現有現場儀表設計的元素。 (圖片來源：Analog Devices)

　　對于此應用，許多相同的組件可以滿足總體要求，但需要不同的傳感器接口。設計人員可以使用合適的儀表放大器(例如 Analog Devices 的AD8422)、ADP2441 DC-DC 穩壓器和ADuM4121隔離柵極驅動器來滿足新的傳感器接口要求，以提供流量傳感器所需的恒流激勵源。

　　其他可用的構建模塊可滿足新興的專業需求。例如，互聯的智能現場儀器可能需要加密和身份驗證功能，以保護數據免遭泄露，并確保從主機傳遞到儀器的控制指令的完整性，從而滿足最新的 IEC 62443 要求。在這種情況下，設計人員可以添加Analog Devices的超低功耗MAXQ1065安全協處理器來計算用于AES消息加密的會話密鑰。

　　結論

　　復雜的工業自動化應用建立在智能現場儀表的功能之上，可以支持更多數量的各種傳感器和執行器。為了有效地設計這些儀器，設計人員現在可以利用一套全面的設備來支持更苛刻的傳感器接口、處理器、功率和連接要求。