本文介紹如何快速重新設(shè)計(jì)電阻溫度檢測(cè)器（RTD）工業(yè)溫度感測(cè)器，以更精巧尺寸、支援彈性通訊和遠(yuǎn)端配置的產(chǎn)品，滿(mǎn)足智慧工廠對(duì)溫度測(cè)量元件的需求。而運(yùn)用高度整合類(lèi)比前端（AFE）和IO-Link收發(fā)器將可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
老生常談「沒(méi)壞就別去修它」，勸誡我們不要?jiǎng)邮指膭?dòng)性能可靠、正常運(yùn)作的設(shè)備。可以說(shuō)，這條建議適用於許多電阻溫度檢測(cè)器（resistance temperature detector；RTD）電路設(shè)計(jì)，而全球工業(yè)製造工廠通常使用這些感測(cè)器實(shí)現(xiàn)安全、高效的溫度測(cè)量。
然而要滿(mǎn)足工業(yè)4.0的要求，需要提高工廠智慧化水準(zhǔn)，那麼，顯然現(xiàn)有的許多RTD感測(cè)器無(wú)法滿(mǎn)足這些環(huán)境的工作要求。更精巧的外型尺寸、彈性通訊和遠(yuǎn)端配置能力，這是自動(dòng)化工程師現(xiàn)在需要工業(yè)溫度感測(cè)器提供的一些功能，但是現(xiàn)有的解決方案並不支援這些功能。
本文將重新審視許多基於RTD的溫度感測(cè)器設(shè)計(jì)中使用的建構(gòu)模組，探討這些模組在感測(cè)器應(yīng)用中的限制因素。然後，展示如何快速重新設(shè)計(jì)這種類(lèi)型的感測(cè)器，以獲得新工業(yè)時(shí)代所需的功能。
溫度感測(cè)器建構(gòu)模組
RTD工業(yè)溫度感測(cè)器的建構(gòu)模組，如圖2所示。
| 圖2 : RTD工業(yè)溫度感測(cè)器架構(gòu)圖 |
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RTD將物理量（溫度）轉(zhuǎn)化為電訊號(hào)，一般用於檢測(cè)–200°C至+850°C的溫度，在這個(gè)溫度範(fàn)圍內(nèi)提供高度線性的回應(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是被動(dòng)元件，需要一個(gè)激勵(lì)電流來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。可以使用基準(zhǔn)電壓來(lái)產(chǎn)生此種電壓，由運(yùn)算放大器進(jìn)行緩衝，隨後將電流驅(qū)動(dòng)到RTD，產(chǎn)生輸出電壓訊號(hào)，該訊號(hào)會(huì)隨溫度變化提供不同回應(yīng)。根據(jù)使用的RTD類(lèi)型和測(cè)得的溫度，該訊號(hào)能產(chǎn)生幾十到幾百mV的電壓，如圖3所示。
| 圖3 : Pt100 RTD響應(yīng)不斷升高的溫度產(chǎn)生的電壓訊號(hào) |
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AFE放大並調(diào)節(jié)低振幅RTD訊號(hào)，然後由類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)該訊號(hào)進(jìn)行數(shù)位化處理，以便微控制器運(yùn)行演算法對(duì)其進(jìn)行非線性補(bǔ)償。如此就會(huì)透過(guò)通訊介面，將數(shù)位訊號(hào)發(fā)送至程序控制器。AFE一般由包含多個(gè)元件訊號(hào)鏈構(gòu)成，每個(gè)元件執(zhí)行一項(xiàng)專(zhuān)用功能，如圖4所示。
| 圖4 : 訊號(hào)鏈中使用單一分立式元件實(shí)現(xiàn)的AFE |
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許多現(xiàn)有的溫度感測(cè)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）夠大，能夠容納所有的積體電路（IC）、訊號(hào)和電源佈線，並使感測(cè)器的外殼尺寸實(shí)際上盡量最小。
此外，還有一種更簡(jiǎn)潔優(yōu)化的方法，就是使用整合式AFE，例如圖5所示的AD7124-4。這個(gè)精巧型IC是一個(gè)完整的AFE，採(cǎi)用單一封裝，包括多工器、基準(zhǔn)電壓源、可編程增益放大器和Σ-Δ ADC。其並提供RTD所需的激勵(lì)電流，因此能取代前一張圖中的五個(gè)訊號(hào)鏈元件，大幅減少所需的板空間，使感測(cè)器能夠採(cǎi)用更小巧的封裝。
| 圖5 : 使用AD7124-4實(shí)現(xiàn)AFE |
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通訊介面
許多工業(yè)感測(cè)器設(shè)計(jì)都是使用一個(gè)（或多個(gè)）工業(yè)網(wǎng)路連接至程序控制器，其中包括多種版本的現(xiàn)場(chǎng)匯流排或工業(yè)乙太網(wǎng)路。這需要使用專(zhuān)用積體電路（ASIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)所選的網(wǎng)路通訊協(xié)定。但是，此種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。
首先，在感測(cè)器設(shè)計(jì)中整合網(wǎng)路專(zhuān)用ASIC會(huì)大幅增加成本，尤其當(dāng)工業(yè)網(wǎng)路為私人網(wǎng)路絡(luò)時(shí)。還會(huì)使感測(cè)器市場(chǎng)僅侷限於使用該網(wǎng)路的使用者。同一個(gè)感測(cè)器要支援不同的網(wǎng)路通訊協(xié)定，需要重新設(shè)計(jì)，增加所需的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。
最後，診斷功能的數(shù)量和類(lèi)型因網(wǎng)路類(lèi)型不同存在很大差異（有些網(wǎng)路類(lèi)型不提供診斷功能）。基於具體的選擇，在感測(cè)器安裝到現(xiàn)場(chǎng)後，工廠操作人員可能很難判斷感測(cè)器的潛在問(wèn)題，進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，並解決感測(cè)器出現(xiàn)的性能問(wèn)題。
| 圖6 : 控制器一側(cè)的IO-Link主機(jī)收發(fā)器執(zhí)行與工業(yè)網(wǎng)路之間的通信 |
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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)路保持獨(dú)立的感測(cè)器，進(jìn)而降低開(kāi)發(fā)成本，並擴(kuò)大潛在客戶(hù)群，而這可以透過(guò)IO-Link來(lái)完成設(shè)計(jì)，IO-Link是三線工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)，支援感測(cè)器（和執(zhí)行器）與所有工業(yè)控制網(wǎng)路相連。
在IO-Link應(yīng)用中，收發(fā)器充當(dāng)連接運(yùn)行數(shù)據(jù)連結(jié)層協(xié)定的微控制器的實(shí)體層介面。使用IO-Link的優(yōu)勢(shì)在於，其能夠進(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、追蹤和處理感測(cè)器。其並支援遠(yuǎn)端配置，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)端進(jìn)行更改，無(wú)需技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)操作。
MAX14828為一款低功耗、超小型IO-Link元件收發(fā)器。該元件採(cǎi)用（4 mm × 4 mm） 24接腳TQFN封裝和（2.5 mm × 2.5 mm）晶圓級(jí)封裝（WLP），易於整合到工業(yè)RTD溫度和其他類(lèi)型的感測(cè)器中。該收發(fā)器直接與程序控制器端的IO-Link主機(jī)通訊，該主機(jī)用於管理與介面ASIC之間的通訊（如圖6所示），因此感測(cè)器能夠獨(dú)立於工業(yè)網(wǎng)路。
結(jié)論
智慧工廠自動(dòng)化工程師對(duì)工業(yè)溫度感測(cè)器的期望不斷提高，包括更精巧的尺寸、彈性通訊和遠(yuǎn)端配置能力。本文展示如何利用高度整合的AFE快速重新設(shè)計(jì)RTD溫度感測(cè)器以減小其封裝尺寸，並且展示IO-Link元件收發(fā)器如何使感測(cè)器能夠不依賴(lài)用於連接程序控制器的工業(yè)網(wǎng)路介面，而保持獨(dú)立運(yùn)作。
本文側(cè)重於RTD溫度感測(cè)器，但如此重新設(shè)計(jì)的方式，也可適用於使用熱敏電阻或熱電偶感測(cè)器的溫度感測(cè)器。
（本文作者M(jìn)ichael Jackson為ADI 產(chǎn)品應(yīng)用工程師、Brian Condell 為終端市場(chǎng)專(zhuān)家）
