作者：Stephen Evanczuk

　　为了充分发挥工业 4.0 的潜力，设计人员需要从恶劣环境中获取数据，并将这些数据可靠、安全地传送到控制系统。尽管存在实现这一愿景的关键技术推动因素，但设计人员过去一直依靠自己来确定和实施有效的解决方案。设计人员需要能够简化流程工业数字化转型所需的互联智能现场仪表实施的解决方案。

　　本文介绍了Analog Devices的综合解决方案集的使用，该解决方案为满足互联智能现场仪表不断增长的需求提供了有效的答案。

　　现场仪表依赖于四个关键功能

　　在工业自动化部署中，现场仪表包括信号处理设备的集合，确保现场终端传感器和执行器之间可靠的数据和控制交换，以及用于管理这些设备及其数据的主机系统。在典型应用中，这些仪器需要支持四个关键功能：

　　提供与通过模数转换器 (ADC) 或数模转换器 (DAC) 连接的传感器或执行器的接口

　　提供用于信号调节和终端设备控制的微控制器单元 (MCU)

　　提供仪器操作和安全所需的电源、隔离和监控

　　提供可靠、安全的数据和控制信息交换所需的各种连接选项的接口

　　设计人员通过寻找所需的 ADC、MCU、电源和连接设备来支持每个特定的传感器或基于执行器的应用，从而满足了典型现场仪器的这些功能要求(图 1)。

　　图 1：在创建现场仪器时，设计人员通过使用可用的 ADC、DAC、MCU 和其他支持设备，满足了采集传感器数据或控制传感器的基本要求。 (图片来源：Analog Devices)

　　随着工业 4.0 面临更严峻的挑战，现场仪表设计人员面临着越来越多的要求，要求提高边缘智能、安全性和安全性，同时继续提供准确可靠的数据。

　　工业 4.0 推动了对更先进功能的需求

　　在传感器或执行器接口处，更多数量和种类的高分辨率、高带宽传感器需要有效的模拟前端 (AFE) 解决方案。在广泛的传感器信号采集和调节需求的推动下，这些仪器的处理需求相应上升。此外，对更高边缘智能的追求需要先进的处理器能够在边缘高效执行人工智能 (AI) 算法，从而提高现场仪器效率并增强工业安全。面对不断扩大的威胁，这些仪器的安全仍然至关重要。

　　与传统的 4-20 毫安 (mA) 电流环路设备相比，随着功能的增强，先进的现场仪器需要更高的数据带宽和功率传输，传统的 4-20 毫安 (mA) 电流环路设备通常为仪器提供 1.2 千比特每秒 (Kbits/s) 和低于 40 毫瓦的功率传输(毫瓦)。 10BASE-T1L 在 0 区支持每秒 10 兆位 (Mbits/s) 的数据带宽和高达 60 瓦或 500 mW 的功率传输，鼓励使用以太网-APL 进行本质安全的用例。此外，10BASE-T1L/以太网-APL 可以通过单根双绞线电缆提供这种性能，同时可以重复使用现有已安装的电缆。

　　即使工业系统涉及更苛刻的通信要求，支持传统现场仪表和新兴工业 4.0 应用的需求仍然存在。因此，设计人员必须通过智能现场仪表设计来应对现有棕地应用和新绿地系统的结合(图 2)。

　　图 2：在设计智能现场仪表时，设计人员面临着响应新兴电源和数据带宽要求以及支持现有工业应用的挑战。 (图片来源：Analog Devices)

　　使用 Analog Devices 的一组先进器件，设计人员可以快速满足现有和新兴工业自动化系统所用智能现场仪表的要求。

　　通过全套设备满足先进现场仪器的要求

　　典型的现场仪表必须满足一系列要求。典型的压力传感器变送器展示了设计人员如何在自己的应用中轻松满足这些要求(图 3)。

　　图 3：压力传感器变送器高层设计说明了典型智能现场仪表的传感器接口、处理器、电源和连接功能的基本要求。 (图片来源：Analog Devices)

　　在图中的压力传感器发射器设计中，信号链必须向电阻桥压力传感器提供激励电流，并测量传感器对压力做出反应时生成的差分电压。这里，单个集成器件(例如 Analog Devices 的AD7124或AD4130 AFE)通过提供激励电流作为具有数字输出的完整多通道信号链的一部分来简化传感器接口(图 4)。

　　图 4：AD7124 AFE 提供从大多数有源和无源传感器生成数字数据所需的完整多通道信号链。 (图片来源：Analog Devices)

　　为了完善传感器子系统，设计人员可以使用 Analog Devices 的ADuCM36x系列MCU来管理 AFE 并执行额外的信号处理、校准和补偿。例如，设计人员可以使用 ADuCM36x MCU 的集成 24 位 ADC 来转换温度传感器的读数，以提供电阻桥传感器的温度补偿(图 4)。

　　为了对现场仪器进行更广泛的处理和整体管理，设计人员可以采用高性能Arm® Cortex®-M4 MCU，例如 Analog Devices 的MAX32675或MAX32690，而新的 AI 微控制器，例如屡获殊荣的 MAX78000 系列，确保神经网络在边缘的最高效率执行。该高性能 MCU通过 Analog Devices 的ADUM1440数字隔离器与传感器子系统隔离，可管理现场仪器操作、附加外设和连接。

　　这些 MCU 专为工业自动化而设计，可满足不同的专业应用要求。例如，MAX32675非常适合4-20 mA电流环路应用，而MAX32690集成了适用于无线应用的先进蓝牙5.2低功耗(LE)无线电，以及足够的内存来支持Profinet等大型通信堆栈。这两款处理器通过提供集成的真随机数生成器、高级加密标准 (AES) 引擎、安全的非易失性密钥存储和安全启动来解决日益增长的安全问题。

　　为了向现场仪表中的设备提供稳压电源，设计人员通常会使用一个低压差 (LDO) 稳压器(例如 Analog Devices 的ADP162)，以及一个 DC-DC 降压开关稳压器(例如 Analog Devices 的ADP2360)。确保处理器子系统的电源电压正确对于在电噪声环境中运行的智能现场仪表设计至关重要。使用 Analog Devices 的ADM8323监控器，设计人员可以确保电源电压保持在预设电压阈值以上。

　　在上电、断电和掉电事件期间，ADM8323 发出一个信号，使 MCU 保持在复位状态。当电源恢复到阈值水平以上时，ADM8323 释放复位。此时，支持安全启动的 MCU(例如 MAX32675 和 MAX32690)会在继续操作之前确认程序代码的真实性。为了确认代码继续正常执行，设计人员可以使用 ADM8323 的窗口集成看门狗定时器。

　　获取传感器数据和可靠地执行代码是智能现场仪表操作的基本方面。在应用程序级别，可靠的通信至关重要。多年来，智能互联现场仪表一直依赖 4-20 mA 电流环路设备和使用相位连续频移键控 (FSK) HART 调制解调器协议的数据交换。设计人员可以使用 Analog Devices 的AD5421 4-20 mA DAC 和AD5700 HART 调制解调器器件轻松支持现有电流环路和 HART 协议接口。

　　工业自动化解决方案需要比早期方法更高的电压水平和更大的带宽，从而推动了对 10BASE-T1L 物理层标准等连接选项的需求。设计人员可以使用 Analog Devices 的ADIN1100或ADIN1110快速实现 10BASE-T1L 连接。 ADIN1100 为设计提供物理 (PHY) 层收发器，而 ADIN1110 集成了 PHY 收发器和媒体访问控制 (MAC) 接口，无需集成 MAC 即可与低功耗处理器一起使用。

　　扩展和增强现场仪器以满足特殊要求

　　通过添加或替换一些组件，设计人员可以扩展和增强图 3 中相同的压力传感器设计，以创建其特定应用所需的连接现场仪表。例如，电磁流量变送器的设计可能使用相同的整体架构，仅根据需要添加和删除一些组件(图 5)。

　　图 5：设计人员可以快速响应新的传感器接口要求，例如此处所示的电磁流量变送器的接口要求，同时重用现有现场仪表设计的元素。 (图片来源：Analog Devices)

　　对于此应用，许多相同的组件可以满足总体要求，但需要不同的传感器接口。设计人员可以使用合适的仪表放大器(例如 Analog Devices 的AD8422)、ADP2441 DC-DC 稳压器和ADuM4121隔离栅极驱动器来满足新的传感器接口要求，以提供流量传感器所需的恒流激励源。

　　其他可用的构建模块可满足新兴的专业需求。例如，互联的智能现场仪器可能需要加密和身份验证功能，以保护数据免遭泄露，并确保从主机传递到仪器的控制指令的完整性，从而满足最新的 IEC 62443 要求。在这种情况下，设计人员可以添加Analog Devices的超低功耗MAXQ1065安全协处理器来计算用于AES消息加密的会话密钥。

　　结论

　　复杂的工业自动化应用建立在智能现场仪表的功能之上，可以支持更多数量的各种传感器和执行器。为了有效地设计这些仪器，设计人员现在可以利用一套全面的设备来支持更苛刻的传感器接口、处理器、功率和连接要求。