1.前言

現(xiàn)場變送器為工廠提供了一種自動化檢測、測量和通信關(guān)鍵系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)（如溫度、壓力和流量）的方法。一些估計表明，每年有超過 1 億個現(xiàn)場變送器出貨，以支持全球工業(yè)應(yīng)用。如果沒有現(xiàn)場變送器的測量輸出，工廠自動化就不會那么準確或可靠，并且限制了其有效性。

在探討現(xiàn)場發(fā)射機的重要性及其設(shè)計挑戰(zhàn)之前，讓我們簡要定義現(xiàn)場發(fā)射機。

圖 1：壓力變送器

在基本層面上，現(xiàn)場變送器是一種設(shè)備，它使用傳感器來測量和傳達有關(guān)周圍環(huán)境（溫度、壓力、流量等）的信息。該設(shè)備將其測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為可讀的電信號，然后長距離傳輸數(shù)據(jù)將電纜連接到能夠處理信息并計算后續(xù)步驟的集中設(shè)備。一種更常見的現(xiàn)場變送器架構(gòu)，通常稱為兩線或回路供電系統(tǒng)，在 4 至 20 mA 總線上運行，是本文的重點。

2.現(xiàn)場變送器電源注意事項

雖然很明顯為什么現(xiàn)場發(fā)射器的傳感元件需要盡可能靠近被測試設(shè)備，但在傳感技術(shù)的功耗允許的情況下，為什么兩線發(fā)射器是首選選項可能并不那么明顯。4 至 20 mA 發(fā)射器根據(jù)需要進行通信和表示的測量從接收器汲取電流：最低測量讀數(shù)低至 3.8 mA，最高測量讀數(shù)最高 20.5 mA。兩線制變送器最適合的原因是電流既充當系統(tǒng)的電源又充當信號總線；傳感器位置不需要輔助電源，從而實現(xiàn)強大的信號完整性和使用更便宜且數(shù)量明顯更少的電線的能力。

3.現(xiàn)場變送器設(shè)計挑戰(zhàn)

由于 4 至 20 mA 頻譜的低端，所有兩線制現(xiàn)場變送器必須設(shè)計為在低于 3.6 mA 的電流下工作。這給設(shè)計人員帶來了困難的功耗預(yù)算，他們現(xiàn)在必須評估每個設(shè)計選擇的功耗。并非所有傳感技術(shù)都能夠在 <3.6 mA 下運行。

現(xiàn)場發(fā)射器確保盡可能靠近源進行測量，盡管它們可能距接收器數(shù)百甚至數(shù)千米。雖然這種設(shè)置旨在幫助提高工廠設(shè)置的準確性和有效性，但長距離部署中無意的接地回路實際上可能會產(chǎn)生相反的效果，導(dǎo)致測量不準確，甚至降低工廠效率。

為了克服這一挑戰(zhàn)，在傳感器和電流回路之間增加了一個隔離屏障，可以實現(xiàn)傳感器和接收器的獨立接地，從而消除無意的接地回路。

4.隔離功率預(yù)算

從歷史上看，設(shè)計人員只有兩種選擇來在必要的功率預(yù)算內(nèi)隔離他們的系統(tǒng)：光耦合器或脈沖變壓器。由于這兩種隔離技術(shù)可能消耗多達三分之一的可用電流，因此設(shè)計人員必須做出許多系統(tǒng)架構(gòu)決策以適應(yīng)隔離，例如節(jié)流數(shù)據(jù)速率；添加額外的微控制器以減少跨越隔離屏障的通信線路；并采購最低功耗、最高額定溫度的選項。圖 2 顯示了這種脈沖變壓器架構(gòu)的示例。

圖 2：現(xiàn)場變送器示例 - 用于數(shù)據(jù)隔離的單通道脈沖變壓器

盡管有許多優(yōu)點，但數(shù)字隔離器歷來在現(xiàn)場發(fā)射器設(shè)計中幾乎沒有用處，因為它們消耗的電流量超出了預(yù)算要求。但是數(shù)字隔離器技術(shù)的重大進步，例如降低功耗，已經(jīng)實現(xiàn)了關(guān)鍵的現(xiàn)場發(fā)射器系統(tǒng)改進。例如，TI 的ISO7941超低功耗數(shù)字隔離器在靜態(tài)操作中每通道的功耗可低至 4.2 μA。

優(yōu)勢包括：

· 超低功耗可擴展性。 10 kbps 時低于 20 μA 的總功耗為系統(tǒng)提供了顯著的功率，并實現(xiàn)了歷史上無法在功率預(yù)算內(nèi)完成的其他系統(tǒng)改進。

· 提高數(shù)據(jù)速率/吞吐量。 高達 2 Mbps 的數(shù)據(jù)速率可改進傳感器和發(fā)射器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

· 更寬的溫度范圍。 -55°C 至 125°C 的擴展溫度范圍可以使發(fā)射器在極端條件下使用，而無需采購額定溫度更高、成本更高的光耦合器。

· 減小了解決方案的大小。 在不到一半的面積內(nèi)增加了通道數(shù)，同時降低了高度要求，從而實現(xiàn)了更緊湊的設(shè)計并降低了印刷電路板成本。

· 提高可靠性和可預(yù)測性。 與光耦合器相比，高度受控的半導(dǎo)體工藝提供可靠的隔離，具有明確定義的行業(yè)標準隔離柵壽命和更低的器件間差異。

為了在隔離式 4 至 20 mA 設(shè)計上領(lǐng)先一步，提供了隔離式溫度變送器設(shè)計使用 TI 的最新器件。圖 3 是顯示兩種設(shè)計協(xié)同工作的框圖。

圖 3：隔離式溫度變送器參考設(shè)計框圖

需要精確和豐富的傳感器測量是現(xiàn)場變送器對于在工廠自動化領(lǐng)域運行智能和安全過程至關(guān)重要的原因。雖然降低整體系統(tǒng)成本繼續(xù)推動對低功耗兩線解決方案的需求，但時代已經(jīng)改變，4 通道ISO7401  和 2 通道ISO7021 等數(shù)字隔離器 可以提高可靠性并增強功能，同時堅持功率和成本預(yù)算。隨著自動化的不斷擴展和改進，必須不遺余力地提高吞吐量、提高一致性并降低成本和能源。