【導讀】在現代工業過程控製係統中，傳統4-20mA變送器正經曆智能化
、微型化變革。通過采用高度集成的係統級芯片（SoC）方案
，新一代智能變送器將模擬前端（AFE）、高精度數據轉換、微處理器核心及HART®通信協議模塊融合於單一芯片。這種集成化設計不僅實現了傳感器信號的精準線性化、溫度漂移補償與實時診斷，更關鍵的是大幅縮減了設備體積與功耗，使高性能
、帶數字通信能力的智能變送器得以部署於空間受限的現場儀表中
，為工業物聯網（IIoT）邊緣層的數據采集提供了更優解決方案。

摘要

在現代工業過程控製係統中，傳統4-20mA變送器正經曆智能化、微型化變革。通過采用高度集成的係統級芯片（SoC）方案
，新一代智能變送器將模擬前端（AFE）、高精度數據轉換、微處理器核心及HART®通信協議模塊融合於單一芯片。這種集成化設計不僅實現了傳感器信號的精準線性化、溫度漂移補償與實時診斷，更關鍵的是大幅縮減了設備體積與功耗，使高性能、帶數字通信能力的智能變送器得以部署於空間受限的現場儀表中，為工業物聯網（IIoT）邊緣層的數據采集提供了更優解決方案。

簡介

在工業過程監控應用中，4-20 mA電dian流liu環huan路lu是shi一yi種zhong用yong於yu發fa送song溫wen度du和he壓ya力li等deng傳chuan感gan器qi信xin息xi的de常chang用yong技ji術shu。當dang信xin息xi必bi須xu長chang距ju離li傳chuan輸shu到dao遠yuan程cheng位wei置zhi時shi
，電dian流liu環huan路lu特te別bie有you用yong，因yin為wei信xin號hao對dui噪zao聲sheng相xiang對dui不bu敏min感gan
，並bing且qie可ke以yi從cong遠yuan程cheng供gong電dian電dian壓ya中zhong獲huo取qu電dian力li。本ben文wen將jiang簡jian要yao介jie紹shao4-20 mA係統、其發展曆程和相關芯片組
，該芯片組通過有效減少外部元件數量來縮小整體解決方案的尺寸並提高可靠性。

4-20 mA傳感器概述與發展曆程

在簡單的4-20 mA係統中（圖1），傳感器的輸出電壓先轉換為成比例的電流，其中4 mA表示傳感器的零電平輸出，20 mA表示滿量程輸出。遠端接收器將4-20 mA電流轉換回電壓，然後由計算機或顯示模塊進一步處理。

圖1.簡單的4-20 mA係統

為了滿足行業需求，工程師開發出了智能變送器（圖2）。gaiqijiancaiyongweichuliqiheshujuzhuanhuanqi，nenggouduixinhaojinxingyuanchengtiaoli。zhinengbiansongqikeyiduizengyihepianyijinxingguiyihuachuli，tongguojiangmonixinhaozhuanhuanweishuzixinhaoduichuanganqijinxingxianxinghua，shiyongweikongzhiqizhongdesuanshusuanfachulixinhao，jiangxinhaozhuanhuanhuimonixinhao，bingjiangjieguozuoweibiaozhundianliuyanhuanluchuanshu。

圖2.智能變送器

儀表經過校準並正常工作時
，其輸出信號應保持在4 mA至20 mA之間，但有時候
，過程條件會偏離正常運行條件。在這種情況下，符合標準的變送器最多可輸出20.5 mA。此輸出信號超出範圍，位於飽和區域。與此類似但較小的飽和區域位於測量範圍的底部。

智能測量器件可以檢測內部故障，例如傳感器或轉換器故障。發生這種情況時
，符合標準的儀表的微處理器會將輸出信號設置為3.6 mA或21.0 mA，具體取決於用戶如何設置故障安全模式。

故障信息的信號電平（圖3）按照NAMUR NE43建議進行了標準化1。

圖3.NAMUR NE43建議

因此

，為變送器電子元器件供電的電流限製在3.5 mA左右
，為該應用選擇器件時必須認真考慮這一點。

另一項改進是添加了數字通信功能，它與4-20 mA信號共用雙絞線。這種組合讓控製和診斷信號可以隨傳感器數據一起傳輸。

通信標準是HART協議，它采用頻移鍵控(FSK)，其中位1和位0分別由1200 Hz和2200 Hz的頻率表示。這些頻率的正弦波疊加在傳感器的直流模擬信號上，從而同時提供模擬和數字通信（圖4）。FSK信號的平均值始終為零，因此4-20 mA模擬信號不受影響。

圖4.同時進行模擬和數字通信

HART命令集（圖5）為所有現場設備統一提供一致的通信
，其中包括三類命令：通用命令
、常規命令和器件特定命令。所有采用HART協議的器件都必須能識別和支持通用命令
，例如讀取主變量和單位。常規命令為通過許多器件實現的功能，例如校準
、自檢和多變量讀取。器件特定命令代表每個現場器件所獨有的功能。

圖5.HART傳感器提供的信息示例

每個HART器件都有一個38位地址
，由製造商ID碼

、器件類型代碼和器件唯一標識符組成。

超低功耗4-20 mA傳感器變送器

MAX12900是一款包含10個構建模塊的集成變送器（圖6）。

從左邊開始，傳感器接收微控製器的數據，形成粗調(PWMAP)和精調(PWMBP)兩種PWM信號。這些信號經過緩衝和求和處理後，通過低通濾波器（OP1模塊）轉換為相應的電壓電平表示。在圖6的示例中
，粗調增益設置為1 (R5/R3)，而精調增益設置為1/66 (R5/R4)。OP3與精密基準電壓和外部MOSFET (Q1)結合，實現精密電壓控製電流源。在此應用示例中
，第二個通用放大器(OP2)用於測量電流環路，並向微控製器提供反饋。兩個比較器用於監控電源電壓和內部LDO電壓。電源時序控製器確保係統正確啟動，並在LDO輸出達到最終值的90%時產生電源良好信號，其輸出值由分壓器設置。

集成AFE和HART調製解調器的超低功耗Arm Cortex-M4F

MAX32675C（圖7）是一款高集成度混合信號、超低功耗微控製器，適用於工業應用。它基於超低功耗Arm® Cortex®-M4
，帶有浮點單元、一組豐富的數字外設和一個模擬前端(AFE)。

AFE集成了低功耗HART調製解調器、兩個12通道Σ-Δ模數轉換器(ADC)
、可編程增益放大器(PGA)以及12位數模轉換器(DAC)。

圖6.集成變送器

圖7.高集成度混合信號微控製器

集成AFE

MAX32675C提供兩個Σ-Δ ADC，它們共享多路複用的12個模擬輸入

，這些輸入可配置為差分或單端。每個ADC前麵都有一個PGA，PGA具有8個可用增益
，範圍為1到128。PGA輸出可由外部配置，支持外部濾波。有多個基準輸入可用

，以提高靈活性。集成的50 ppm基準電壓可編程為1.024 V、1.5 V、2.048 V和2.5 V。傳感器可使用16級可編程電流源或固定電壓源(VDD/2)進行偏置（見圖8）。

圖8.集成AFE

ADC特性

ADC可以按需自動校準其內部失調和增益誤差以及係統失調和增益誤差
，並將校準值存儲在專用寄存器中。PGA有8個獨立的增益校準寄存器。

自校準程序不包括外部影響，例如驅動輸入引腳的源信號
，這些影響會改變係統的失調和增益。

係(xi)統(tong)校(xiao)準(zhun)通(tong)過(guo)向(xiang)選(xuan)定(ding)的(de)輸(shu)入(ru)引(yin)腳(jiao)提(ti)供(gong)零(ling)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)或(huo)滿(man)量(liang)程(cheng)信(xin)號(hao)


，並(bing)啟(qi)動(dong)係(xi)統(tong)零(ling)電(dian)平(ping)或(huo)係(xi)統(tong)增(zeng)益(yi)校(xiao)準(zhun)命(ming)令(ling)，來(lai)使(shi)能(neng)係(xi)統(tong)零(ling)電(dian)平(ping)和(he)係(xi)統(tong)滿(man)量(liang)程(cheng)校(xiao)準(zhun)。

作為自動生成係統校準值的替代方案，可以將值直接寫入內部校準寄存器。

依據公式1
，校準值會被應用於存儲在ADC_DATA寄存器中的轉換結果：

其中：

ADC_DATA是ADC數據結果目標寄存器。

Conversion是應用校準結果之前的ADC轉換結果。

ADC_SELF_GAIN [1:128]是所選增益的內部增益校正值。

ADC_SELF_OFF是內部失調校正值。ADC_SYS_GAIN是係統增益校正值。

ADC_SYS_OFF是係統失調校正值。

可配置數字濾波器支持選擇陷波頻率和數據速率。

同步50 Hz/60 Hz抑製有限脈衝響應(FIR)濾波器在16 SPS時提供對50 Hz和60 Hz遠超過90 dB的抑製，並顯著抑製其諧波。輸出速率更快時（40 SPS），50 Hz和60 Hz FIR濾波器設置針對這些頻率的衰減水平會降低。

sinc4設置支持四階SINC濾波器
，該濾波器能夠以高達1989 SPS（24位精度）的連續數據速率運行，或以15360 SPS（16位精度）的連續數據速率運行。

時序控製器是一項強大的功能，可以將一係列命令編程到序列緩衝器寄存器中（圖9）。可以將序列的完成配置為產生中斷。

有8個寄存器用於存儲ADC轉換輸出，以供時序控製器使用。

圖9.時序控製器使用示例

圖10.AFE配置為熱電偶測量

還有8個下限/上限比較閾值寄存器與這8個轉換寄存器相關聯。比較結果存儲在狀態寄存器中。

AFE配置為熱電偶

測量

AFE可以配置為利用熱電偶測量溫度（圖10）。熱電偶電壓利用精密基準電壓來測量
，同時必須使用單獨的傳感器來測量冷端的溫度。這可以通過電阻溫度檢測器(RTD)之類的器件來測量。

對於熱電偶測量

，根據所用的熱電偶類型將PGA增益設置為適當的值。K型熱電偶產生的最大電壓為54 mV，使用32倍的PGA增益可產生約1.7 V輸出。內部電壓發生器將熱電偶偏置至VDD/2 (AIN5)。

采用RTD進行冷端溫度測量時，電流源IDAC0設置為在AIN10上提供220 μA。電流將流過RTD和基準電阻RREF，在RREF上產生800 mV的電壓降
，用作測量的基準電壓。由於流過RTD和RREF的電流相同
，因此轉換數據將是RTD電阻與REF的比率。

HART調製解調器

該器件集成了1200 Hz/2200 Hz FSK信號的調製和解調功能。由於集成了信號處理功能，調製解調器（圖11）功耗非常低，隻需要少量外部元件。輸入信號由ADC采樣，隨後由數字濾波器/解調器處理。調製器提供純淨的信號，頻率在1200 Hz到2200 Hz之間切換，且相位保持連續。SPI接口用於配置外設寄存器，通信則采用UART。

圖11.集成HART調製解調器

圖12.智能變送器實現

智能變送器實現

借助MAX12900和MAX32675C的組合，僅需少量外部元件就能設計智能變送器（圖12），從而縮小整體解決方案的尺寸。MAX32675C采用8 mm × 8 mm封裝，而MAX12900采用5 mm × 5 mm封裝。

結論

MAX12900和MAX32675C的組合能夠給4-20 mA智能變送器帶來三重好處，包括縮小係統尺寸；讓係統支持多種類型傳感器，提升靈活性
；以及有效改善整體係統可靠性。多個基準輸入和雙ADC增加了係統冗餘。比較器和備用運算放大器可以監控電源電壓和輸出電流等關鍵參數，從而簡化SIL實現。

參考文獻

1 NAMUR—User Association of Automation Technology in Process Industries。

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