【導讀】電阻溫度檢測器 (RTD) 具有精度高
、感應範圍廣
、經久耐用等許多理想的特性
，因而被廣泛作為傳感器使用。在傳統的實施中，可在電流驅動的 RTD 上感應到與溫度成正比的電壓，該電壓被轉換為 4 mA 至 20 mA 的模擬電流
，通過有線“變送器”發送至係統讀出器或操作員。

電阻溫度檢測器 (RTD) 具有精度高、感應範圍廣、經久耐用等許多理想的特性，因而被廣泛作為傳感器使用。在傳統的實施中，可在電流驅動的 RTD 上感應到與溫度成正比的電壓，該電壓被轉換為 4 mA 至 20 mA 的模擬電流
，通過有線“變送器”發送至係統讀出器或操作員。

雖然這種方法有效、直接並有利，但與基於數字和處理器的架構不兼容。針對這個問題，提出的一個解決方案是升級變送器，使用內部模數轉換器 (ADC) 在源處將 RTD 信號數字化
，並通過合適的輸入/輸出 (I/O) 格式和協議來傳輸信號。

然而，這些升級還不足以滿足智能工廠的需求。當今的工業係統需要的不僅是 RTD 信號的數字化表示。它們需要多通道操作、高精度模數轉換，以及各種形式的故障檢測和錯誤檢查，以確保接收的數據有效。

當今的工業係統還需要一些技術手段，對傳感器接口的關鍵參數進行遠程調整。最後，它們還需要功能強大、支持高級設置和數據報告功能並能確保數據完整性的 I/O 格式和接口。

本文概述了 RTD 及其演進過程。文中作為一種接口選項介紹了 IO-Link，並說明了如何利用先進的模擬前端 (AFE) 和信號調節 IC，實現基於 RTD 的高性能溫度感測通道。本文還介紹了一種合適的工具套件，用以幫助評估用於 RTD 實施的 IO-Link 收發器。

RTD 基礎知識

電阻溫度檢測器 (RTD) 將溫度這一物理變量轉化為電信號，通常用於測量 -200 至 +850°C 的溫度，在此溫度範圍內表現出高度線性響應。RTD 中常用的金屬元素包括鎳 (Ni)、銅 (Cu) 和鉑 (Pt)，其中最常見的是 Pt100 (100 Ω) 和 Pt1000 (1000 Ω) 鉑 RTD。

RTD 接口可由兩線、三線或四線組成，其中三線和四線型號使用最為廣泛。由於 RTD 是無源器件，因此需要勵磁電流來產生輸出電壓。該輸出電壓通常使用基準電壓源產生，由運算放大器 (op amp) 進行緩衝。這樣可以驅動電流流入 RTD，在其兩個端子上產生隨溫度變化而變化的輸出電壓信號。

該信號從幾十到幾百 mV 不等
，具體取決於使用的 RTD 類型和測量的溫度。然後
，該信號經過調節，並發送至模擬讀出器
、長圖記錄儀、數字顯示屏或基於處理器的控製係統。

始於全模擬回路

過去
，工業測量和控製係統使用的基本電子接口是 4 至 20 mA 的電流回路。該接口鏈路可用於傳感器和致動器。對於傳感器而言
，傳感器發出的信號在信號源處經過放大和調節，然後轉換為 4 mA（代表範圍下限）至 20 mA（代表範圍上限）的信號（圖 1）。

圖 1：過去，工業環境中的溫度測量依賴於 RTD 和位於一定距離外的讀出器之間的 4 mA 至 20 mA 電流回路。（圖片來源：Analog Devices）

傳感器與讀出器之間的距離可達幾十甚至幾百英尺，因而該鏈路使用電流回路有幾個原因：

· 由於是電流信號源而非電壓驅動信號源
，因此回路不受距離影響；無需擔心 IR 壓降，電流也不會在回路導線中“損失”。
· 作為一種低阻抗鏈路，它對電磁幹擾 (EMI) 拾取和信號損壞具有相對較強的免疫力，即使在長距離傳輸時也是如此。
· 最後，電流回路具有自診斷功能：如果回路斷開（最常見的故障模式），電流會下降至零。這種電流下降很容易被檢測到。

進行全模擬信號處理的電子裝置稱為變送器。早期基於 IC 的變送器需要單獨的本地電源才能工作。電源用於激勵傳感器（如果需要）
，並為調節電路供電。後來，低功率變送器 IC 增加了各種功能和特性，包括一項非常重要的功能，即“回路供電”，可從回路電流“未使用”的 4 mA 汲取工作電流，因而無需本地電源。

例如
，Analog Devices 的 AD693 是上世紀 80 年代推出的一款回路供電的 4 mA 至 20 mA 傳感器變送器（圖 2）。此器件現在仍有最初的陶瓷雙列直插式封裝 (DIP) 款型和更新的表麵貼裝封裝款型，印證了這款主要麵向工業的 IC 的長久生命力。

圖 2：全模擬、回路供電 AD693 RTD 變送器無需在電流回路的 RTD 接口端使用電源。（圖片來源：Analog Devices）

走向數字化

隨著數字化控製成為標準，我們必需將模擬電流回路信號數字化。如今，要實現這一目標
，需要使用 AFE 來放大和調節低振幅 RTD 信號，以便 ADC 將信號數字化。然後
，再通過通信接口將數字化信號發送到過程控製器，如微控製器單元 (MCU)（圖 3）。

圖 3：轉換為數字化控製需要具有 MCU 兼容輸出的 AFE。（圖片來源：Analog Devices）

由於敏感的 AFE 與數字 I/O 在技術和 IC 工藝要求上存在衝突

，因而實施關鍵的 AFE 和相關數字接口電路具有一定挑戰性
，而且需要多個 IC。幸運的是，隨著 IC 技術的進步
，高度集成的單芯片 RTD 接口成為可能。此外
，這些集成的 IC 還集成了構建更先進、無差錯係統所必需的眾多其他功能和特性。

單芯片集成解決方案的一個實例是 AD7124-4，這是一款采用單一封裝的完整 RTD AFE（圖 4）。這款四通道
、低噪聲、低功耗的 24 位 IC 包括可編程增益放大器 (PGA) 和基準電壓源。該器件還能為 RTD 提供激勵電流，因而不再需要單獨的精密電流源。

圖 4：AD7124-4 是完整的多通道 RTD 接口
，包括電流源、信號調節和數字化功能。（圖片來源：Analog Devices）

除了 AD7124-4 內嵌的核心功能外，該器件還提供多種類型和級別的自診斷和錯誤檢測功能
，有助於通過安全完整性等級 (SIL) 認證。該認證對於高可靠性和任務關鍵型應用至關重要。

AD7124-4 與相關 MCU 之間的數字接口是三線或四線串行接口，兼容 SPI、QSPI、MICROWIRE 和 DSP。不過，此類接口不適合直接連接，也不適用於長信號路徑。相反，這種長鏈路需要通過接口/格式轉換器或適配器來形成，該器件需要實施選定網絡協議，以連接到過程控製器。該接口可能會使用工業網絡，如 PROFINET 或工業以太網。

danshi，shiyongzhexiezhuanyongjiekouyoujigequedian。liru
，zaichuanganqishejizhongzengjiawangluozhuanyongdianluhuidafuzengjiachengben，youqishizaigongyewangluoweizhuanyouwangluodeqingkuangxia。lingwaihaihuirangchuanganqideshichangxianzhizaiyishiyonggaiwangluodekehuzhong。yaorangtongyigechuanganqizaibutongwangluoxieyixiagongzuo，jiubixuzhongxinsheji。

另ling一yi個ge令ling人ren頭tou疼teng的de複fu雜za問wen題ti是shi，不bu同tong類lei型xing的de網wang絡luo在zai診zhen斷duan功gong能neng的de數shu量liang和he類lei型xing上shang存cun在zai很hen大da差cha異yi。根gen據ju所suo選xuan擇ze的de接jie口kou格ge式shi和he協xie議yi，工gong廠chang操cao作zuo人ren員yuan可ke能neng很hen難nan識shi別bie和he維wei護hu傳chuan感gan器qi，也ye很hen難nan解jie決jue現xian場chang安an裝zhuang後hou出chu現xian的de任ren何he性xing能neng問wen題ti。

IO-Link 解決連接難題

智能工廠的設計人員需要智能、靈活

、yiyubushudechuanganqihezhidongqi，yibiangenghaodijinxingjuece
，shixiangengyiyouhuadezhizaoliucheng。yizhongkexingdefangfashishejiyizhongduliyugezhonggongyewangluodechuanganqi，congerjiangdikaifachengben，kuodaqianzaikehuqun。IO-Link 技術讓傳統傳感器變得智能化
，從而實現了這種方法。

通過使用 IO-Link 主站和設備收發器，工業係統設計人員可以采用強大而靈活的方式，將智能功能從可編程邏輯控製器 (PLC) 或其他係統控製器遷移到更接近工廠車間內傳感器的位置（圖 5）。

圖 5：借助傳感器 MCU 和過程控製器之間的 IO-Link 主站和設備收發器，工業數據係統變得更加強大和靈活。（圖片來源：Analog Devices）

IO-Link 是一種三線點對點通信接口

，采用標準化的連接器、電纜和協議
，可將傳感器（和致動器）與工業控製網絡連接起來。在 IO-Link 應用中，收發器充當物理層 (PHY) 接口
，連接 MCU 或其他運行數據鏈路層協議的控製器。IO-Link 設計用於工業標準三線製傳感器和致動器基礎架構
，由 IO-Link 主站和 IO-Link 設備組件組成（圖 6）。

圖 6：IO-Link 物理互連包括一個 IO-Link 主站
，並支持多個 IO-Link 設備組件。（圖片來源：Analog Devices）

使用 IO-Link 的優勢在於它可以傳輸四種不同類型的數據：過程
、診斷、配置和事件。這樣，一旦傳感器發生故障，就能快速識別、追蹤和處理。IO-Link 還支持遠程配置。例如


，如果需要更改觸發過程警報的溫度閾值，技術人員可以遠程完成操作，而無需進入工廠車間。

IO-Link 主站（多端口控製器或網關）與 IO-Link 設備（傳感器或致動器）之間的點對點連接使用了工業係統常用的標準連接器（使用最廣泛的是 M8 和 M12 連接器）
，以及最長可達 20 米的非屏蔽電纜。主站可有多個端口（最常見的是四個或八個）。

主站的每個端口都連接至唯一的 IO-Link 設備，該設備可在標準 I/O (SIO) 單輸入/單輸出模式或雙向通信模式下工作。IO-Link 旨在與現有的工業架構（如現場總線或工業以太網）配合使用。它可連接到現有的 PLC 或人機接口 (HMI)

，從而實現快速應用（圖 7）。

圖 7：IO-Link 可與一係列現有工業架構配合使用，還可與現有 PLC 或人機界麵連接。（圖片來源：Analog Devices）

鑒於工業應用和安裝的現實情況
，IO-Link 主站或控製器可將被替換 IO-Link 傳感器的參數自動寫入新傳感器。這一功能讓我們能夠快速無誤地更換傳感器，並可縮短更換傳感器後重新啟動係統運行所需的時間。

係統中的 IO-Link 功能可減少維護工作，延長正常運行時間

，並將傳感器手動安裝轉化為用戶“即插即用”的(de)方(fang)式(shi)。參(can)數(shu)設(she)置(zhi)可(ke)從(cong)控(kong)製(zhi)器(qi)下(xia)載(zai)，以(yi)便(bian)設(she)置(zhi)或(huo)重(zhong)新(xin)配(pei)置(zhi)設(she)備(bei)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)不(bu)再(zai)需(xu)要(yao)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)在(zai)車(che)間(jian)進(jin)行(xing)初(chu)始(shi)設(she)置(zhi)
，並(bing)且(qie)重(zhong)新(xin)配(pei)置(zhi)設(she)備(bei)時(shi)的(de)機(ji)器(qi)停(ting)機(ji)時(shi)間(jian)也(ye)會(hui)減(jian)少(shao)。借(jie)助(zhu) IO-Link，可以進行連續診斷

、改進數據記錄並增強錯誤檢測
，從而進一步降低運營成本。

收發器實現物理鏈路

我們需要使用收發器才能在物理層實現 IO-Link。MAX14828ATG+ IO-Link 設備收發器 IC 和配套的 MAX14819ATM+ IO-Link 主站收發器是高度集成的 IC，非常適合構建強大的傳感器解決方案，同時還可節省空間。另外還有用於電源的板載低壓差 (LDO) 穩壓器，以及用於本地指示燈的 LED 驅動器。

MAX14828ATG+ IO-Link 收發器集成了工業傳感器中常見的高壓功能（圖 8）。該器件帶有一個超低功耗驅動器，提供有源極性反向保護功能。其還提供輔助數字輸入，以便通過 UART 接口進行固件更新。該器件包括板載 3.3 V 和 5 V 線性穩壓器，以實現低噪聲模擬/邏輯電源軌。

圖 8：MAX14828ATG+ IO-Link 收發器 IC 提供傳感器 MCU 與物理鏈路（連接器和電纜）之間的關鍵接口。（圖片來源：Analog Devices）

MAX14828ATG+ 的配置和監控可通過 SPI 接(jie)口(kou)進(jin)行(xing)
，也(ye)可(ke)通(tong)過(guo)設(she)置(zhi)邏(luo)輯(ji)接(jie)口(kou)引(yin)腳(jiao)進(jin)行(xing)。該(gai)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)多(duo)種(zhong)可(ke)編(bian)程(cheng)功(gong)能(neng)，允(yun)許(xu)用(yong)戶(hu)針(zhen)對(dui)各(ge)種(zhong)負(fu)載(zai)和(he)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)來(lai)優(you)化(hua)運(yun)行(xing)和(he)功(gong)耗(hao)
，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)應(ying)用(yong)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)可(ke)定(ding)製(zhi)性(xing)。

高電壓容差增強了瞬態保護功能
，因而允許使用微型瞬態電壓抑製器 (TVS) 器件。其他保護功能包括：接口和電源引腳的 65 V 絕對最大額定電壓、可改進猝發恢複能力和噪聲性能的毛刺濾波器、熱關斷
、熱插拔電源保護
、所有傳感器接口輸入和輸出端的反極性保護。該收發器采用 4 × 4 mm 的 24 引腳 TQFN 封裝，或者采用 2.5 × 2.5 mm 的晶圓級封裝 (WLP)。工作溫度範圍為 -40°C 至 125°C。

MAX14819ATM+ 是一款低功耗、雙通道 IO-Link 主站收發器，設計用於與 MAX14828ATG+ 配合使用，但不僅限用於該配套 IC（圖 9）。該器件還提供傳感器/致動器電源控製器，並有兩個輔助數字輸入通道。其完全符合最新的 IO-Link 以及二進製輸入標準和測試規範
，例如 IEC 61131-2、IEC 61131-9 SDCI 和 IO-Link 1.1.3。

圖 9：MAX14819ATM+ 雙通道 IO-Link 主站收發器完全符合最新的 IO-Link 標準以及其他相關標準和規範。（圖片來源：Analog Devices）

MAX14819ATM+ 帶有集成的 IO-Link 成幀器

，因而無需外部 UART。但其可配置為使用外部 UART。為便於選擇相關 MCU，該主站收發器帶有可與 UART 和 FIFO 配合使用的幀處理程序。MAX14819ATM+ 還帶有自主循環定時器
，從而減少了對精確控製器定時的需求。集成的通信建立序列器還可簡化喚醒管理。

與 MAX14828ATG+ 一樣
，MAX14819ATM+ 也提供本地電源軌，並具有額外的保護功能。其集成了兩個低功耗傳感器電源控製器，具有先進的限流、反向電流阻斷和反極性保護功能，可實現穩健的低功耗解決方案。其他保護功能包括：所有接口引腳上的反極性和耐過壓保護、實現 TVS 靈活性的 65 V 最大絕對額定值
、可改進猝發恢複能力的毛刺濾波器。MAX14819ATM+ 采用 48 引腳 TQFN 封裝，尺寸為 7 × 7 mm
，擴展工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。

用於 IO-Link 設計開發的評估套件

一般來說，獲得 IO-Link（特別是 MAX14828ATG+ IO-Link 收發器）的實踐經驗
，是保持設計進度的重要步驟。為此
，經過全麵組裝和測試的 MAX14828EVKIT# 評估套件包含一個符合 IO-Link 標準的設備收發器
，帶有 IO 和 SPI 接口端子（圖 10）。

圖 10：使用 MAX14828EVKIT# 評估套件，設計人員能夠快速輕鬆地初始化 MAX14828ATG+ IO-Link 收發器並評估其性能。（圖片來源：Analog Devices）

要運行該評估套件
，必須有一台通過 USB 電纜連接的 Windows 兼容 PC。借助相關軟件，再結合用戶提供的 24 V/500 mA 直流電源
、萬用表、函數發生器和示波器
，設計人員可以利用該套件進行 MAX14828ATG+ 的配置、練習和評估。相關文檔包括設置和操作說明、原理圖、完整物料清單 (BOM)
，以及印刷電路板布局各層的圖片。

總結

要在工業環境中使用 RTD 進行有效、準確
、可靠的溫度測量，首先需要用於信號調節和數字化的高性能 AFE。要將這些數據傳輸到係統控製器

，則需要合適的數據鏈路。如本文所述，在合適的物理層 IC 的支持下，基於 IO-Link 的傳感器接口可提供核心功能以及高級配置、故障檢測和診斷、管理功能
，從而簡化並加快 RTD 智能工廠部署。

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