【导读】于现代工业历程节制体系中，传统4-20mA变送器正履历智能化、微型化厘革。经由过程采用高度集成的体系级芯片（SoC）方案，新一代智能变送器将模仿前端（AFE）、高精度数据转换、微处置惩罚器焦点和HART®通讯和谈模块交融在单一芯片。这类集成化设计不仅实现了传感器旌旗灯号的精准线性化、温度漂移赔偿与及时诊断，更要害的是年夜幅缩减了装备体积与功耗，使高机能、带数字通讯能力的智能变送器患上以部署在空间受限的现场仪表中，为工业物联网（IIoT）边沿层的数据收罗提供了更优解决方案。

择要

于现代工业历程节制体系中，传统4-20mA变送器正履历智能化、微型化厘革。经由过程采用高度集成的体系级芯片（SoC）方案，新一代智能变送器将模仿前端（AFE）、高精度数据转换、微处置惩罚器焦点和HART®通讯和谈模块交融在单一芯片。这类集成化设计不仅实现了传感器旌旗灯号的精准线性化、温度漂移赔偿与及时诊断，更要害的是年夜幅缩减了装备体积与功耗，使高机能、带数字通讯能力的智能变送器患上以部署在空间受限的现场仪表中，为工业物联网（IIoT）边沿层的数据收罗提供了更优解决方案。

简介

于工业历程监控运用中，4-20 mA电流环路是一种用在发送温度及压力等传感器信息的经常使用技能。当信息必需长间隔传输到长途位置时，电流环路尤其有效，由于旌旗灯号对于噪声相对于不敏感，而且可以从长途供电电压中获取电力。本文将扼要先容4-20 mA体系、其成长过程及相干芯片组，该芯片组经由过程有用削减外部元件数目来缩小总体解决方案的尺寸并提高靠得住性。

4-20 mA传感器概述与成长过程

于简朴的4-20 mA体系中（图1），传感器的输出电压先转换为成比例的电流，此中4 mA暗示传感器的零电平输出，20 mA暗示满量程输出。远端吸收器将4-20 mA电流转换回电压，然后由计较机或者显示模块进一步处置惩罚。

图1.简朴的4-20 mA体系

为了满意行业需求，工程师开发出了智能变送器（图2）。该器件采用微处置惩罚器及数据转换器，可以或许对于旌旗灯号举行长途调度。智能变送器可以对于增益及偏移举行归一化处置惩罚，经由过程将模仿旌旗灯号转换为数字旌旗灯号对于传感器举行线性化，利用微节制器中的算术算法处置惩罚旌旗灯号，将旌旗灯号转换回模仿旌旗灯号，并将成果作为尺度电流沿环路传输。

图2.智能变送器

仪表颠末校准并正常事情时，其输出旌旗灯号应连结于4 mA至20 mA之间，但有时辰，历程前提会偏离正常运行前提。于这类环境下，切合尺度的变送器至多可输出20.5 mA。此输出旌旗灯号凌驾规模，位在饱及区域。与此近似但较小的饱及区域位在丈量规模的底部。

智能丈量器件可以检测内部妨碍，例如传感器或者转换器妨碍。发生这类环境时，切合尺度的仪表的微处置惩罚器会将输出旌旗灯号设置为3.6 mA或者21.0 mA，详细取决在用户怎样设置妨碍安全模式。

妨碍信息的旌旗灯号电平（图3）根据NAMUR NE43建议举行了尺度化1。

图3.NAMUR NE43建议

是以，为变送器电子元器件供电的电流限定于3.5 mA摆布，为该运用选择器件时必需当真思量这一点。

另外一项改良是添加了数字通讯功效，它与4-20 mA旌旗灯号共用双绞线。这类组合让节制及诊断旌旗灯号可以随传感器数据一路传输。

通讯尺度是HART和谈，它采用频移键控(FSK)，此中位1及位0别离由1200 Hz及2200 Hz的频率暗示。这些频率的正弦波叠加于传感器的直流模仿旌旗灯号上，从而同时提供模仿及数字通讯（图4）。FSK旌旗灯号的平均值始终为零，是以4-20 mA模仿旌旗灯号不受影响。

图4.同时举行模仿及数字通讯

HART号令集（图5）为所有现场装备同一提供一致的通讯，此中包括三类号令：通用号令、通例号令及器件特定数令。所有采用HART和谈的器件都必需能辨认及撑持通用号令，例如读取主变量及单元。通例号令为经由过程很多器件实现的功效，例如校准、自检及多变量读取。器件特定数令代表每一个现场器件所独占的功效。

图5.HART传感器提供的信息示例

每一个HART器件都有一个38位地址，由制造商ID码、器件类型代码及器件独一标识符构成。

超低功耗4-20 mA传感器变送器

MAX12900是一款包罗10个构建模块的集成变送器（图6）。

从左侧最先，传感器吸收微节制器的数据，形成粗调(PWMAP)及精调(PWMBP)两种PWM旌旗灯号。这些旌旗灯号颠末缓冲及乞降处置惩罚后，经由过程低通滤波器（OP1模块）转换为响应的电压电平暗示。于图6的示例中，粗调增益设置为1 (R5/R3)，而精调增益设置为1/66 (R5/R4)。OP3与周详基准电压及外部MOSFET (Q1)联合，实现周详电压节制电流源。于此运用示例中，第二个通用放年夜器(OP2)用在丈量电流环路，并向微节制器提供反馈。两个比力器用在监控电源电压及内部LDO电压。电源时序节制器确保体系准确启动，并于LDO输出到达终极值的90%时孕育发生电源优良旌旗灯号，其输出值由分压器设置。

集成AFE及HART调制解调器的超低功耗Arm Cortex-M4F

MAX32675C（图7）是一款高集成度混淆旌旗灯号、超低功耗微节制器，合用在工业运用。它基在超低功耗Arm®Cortex®-M4，带有浮点单位、一组富厚的数字外设及一个模仿前端(AFE)。

AFE集成为了低功耗HART调制解调器、两个12通道Σ-Δ模数转换器(ADC)、可编程增益放年夜器(PGA)以和12位数模转换器(DAC)。

图6.集成变送器

图7.高集成度混淆旌旗灯号微节制器

集成AFE

MAX32675C提供两个Σ-Δ ADC，它们同享多路复用的12个模仿输入，这些输入可配置为差分或者单端。每一个ADC前面都有一个PGA，PGA具备8个可用增益，规模为1到128。PGA输出可由外部配置，撑持外部滤波。有多个基准输入可用，以提高矫捷性。集成的50 ppm基准电压可编程为1.024 V、1.5 V、2.048 V及2.5 V。传感器可以使用16级可编程电流源或者固定电压源(VDD/2)举行偏置（见图8）。

图8.集成AFE

ADC特征

ADC可以按需主动校准其内部掉和谐增益偏差以和体系掉和谐增益偏差，并将校准值存储于专用寄放器中。PGA有8个自力的增益校准寄放器。

自校准步伐不包括外部影响，例如驱动输入引脚的源旌旗灯号，这些影响会转变体系的掉和谐增益。

体系校准经由过程向选定的输入引脚提供零电平旌旗灯号或者满量程旌旗灯号，并启动体系零电平或者体系增益校准号令，来使能体系零电和蔼体系满量程校准。

作为主动天生体系校准值的替换方案，可以将值直接写入内部校准寄放器。

依据公式1，校准值会被运用在存储于ADC_DATA寄放器中的转换成果：

此中：

ADC_DATA是ADC数据成果方针寄放器。

Conversion是运用校准成果以前的ADC转换成果。

ADC_SELF_GAIN [1:128]是所选增益的内部增益校订值。

ADC_SELF_OFF是内部掉调校订值。ADC_SYS_GAIN是体系增益校订值。

ADC_SYS_OFF是体系掉调校订值。

可配置数字滤波器撑持选择陷波频率及数据速度。

同步50 Hz/60 Hz按捺有限脉冲相应(FIR)滤波器于16 SPS时提供对于50 Hz及60 Hz远跨越90 dB的按捺，并显著按捺其谐波。输出速度更快时（40 SPS），50 Hz及60 Hz FIR滤波器设置针对于这些频率的衰减程度会降低。

sinc4设置撑持四阶SINC滤波器，该滤波器可以或许以高达1989 SPS（24位精度）的持续数据速度运行，或者以15360 SPS（16位精度）的持续数据速度运行。

时序节制器是一项强盛的功效，可以将一系列号令编程到序列缓冲器寄放器中（图9）。可以将序列的完成配置为孕育发生中止。

有8个寄放器用在存储ADC转换输出，以供时序节制器利用。

图9.时序节制器利用示例

图10.AFE配置为热电偶丈量

还有有8个下限/上限比力阈值寄放器与这8个转换寄放器相干联。比力成果存储于状况寄放器中。

AFE配置为热电偶

丈量

AFE可以配置为使用热电偶丈量温度（图10）。热电偶电压使用周详基准电压来丈量，同时必需利用零丁的传感器来丈量冷真个温度。这可以经由过程电阻温度检测器(RTD)之类的器件来丈量。

对于在热电偶丈量，按照所用的热电偶类型将PGA增益设置为适量的值。K型热电偶孕育发生的最年夜电压为54 mV，利用32倍的PGA增益可孕育发生约1.7 V输出。内部电压发生器将热电偶偏置至VDD/2 (AIN5)。

采用RTD举行冷端温度丈量时，电流源IDAC0设置为于AIN10上提供220 μA。电流将流过RTD及基准电阻RREF，于RREF上孕育发生800 mV的电压降，用作丈量的基准电压。因为流过RTD及RREF的电流不异，是以转换数据将是RTD电阻与REF的比率。

HART调制解调器

该器件集成为了1200 Hz/2200 Hz FSK旌旗灯号的调制及解调功效。因为集成为了旌旗灯号处置惩罚功效，调制解调器（图11）功耗很是低，只需要极少量外部元件。输入旌旗灯号由ADC采样，随后由数字滤波器/解调器处置惩罚。调制器提供纯净的旌旗灯号，频率于1200 Hz到2200 Hz之间切换，且相位连结持续。SPI接口用在配置外设寄放器，通讯则采用UART。

图11.集成HART调制解调器

图12.智能变送器实现

智能变送器实现

借助MAX12900及MAX32675C的组合，仅需极少量外部元件就能设计智能变送器（图12），从而缩小总体解决方案的尺寸。MAX32675C采用8 妹妹 × 8 妹妹封装，而MAX12900采用5 妹妹 × 5 妹妹封装。

结论

MAX12900及MAX32675C的组合可以或许给4-20 mA智能变送器带来三重利益，包括缩小体系尺寸；让体系撑持多种类型传感器，晋升矫捷性；以和有用改善总体体系靠得住性。多个基准输入及双ADC增长了体系冗余。比力器及备用运算放年夜器可以监控电源电压及输出电流等要害参数，从而简化SIL实现。

参考文献

1NAMUR—User Association of Automation Technology in ProcessIndustries。

保举浏览：

节制旌旗灯号的“蒲公英”：中间继电器怎样实现安全的多路分发与断绝

为何你的PLC输出点烧了？多是中间继电器没选对于

揭秘氢能“心脏”：电解直流电源，怎样泵动绿色将来？

Home Bus体系电感选型避坑指南：PoD运用中的要害考量

工程师必读：步进机电选型避坑指南，精准匹配运用需求