依靠智能传感器提高工业控制中的生产力与安全性

从家庭到公海的复杂监控和自动化需求不断增长，需要高效且有效的技术将大量传感器和执行器连接到主机系统，主机系统可能在几米到几百英里之间。

感知和控制的重要作用

工业控制传统上严重依赖传感器来检测位置，温度或压力等因素，以控制各种过程，如化学品生产，容器填充或机械装配任务。随着工业公司寻求减少人为干预以提高质量和减少人员以降低成本，对传感器的需求增加。

进一步增加对传感器的需求，大量数据正被部署在通常尚未使用的应用程序和位置。智能建筑现象就是一个例子;办公室，工厂甚至私人住宅越来越普遍地采用传感器网络来检测人体存在，环境光线，室温和空气质量。这使控制器能够优化照明，HVAC和其他设置，以实现舒适性和能源效率。此外，即使在移动中，通过互联网或无线连接到几乎位于世界任何地方的传感器的能力也允许许多类型的企业提高安全性，安全性和服务质量。物流公司能够通过监控中央运营中心的门或温度传感器来检测未经授权的运输中的集装箱。集中监控温度控制容器的能力还允许操作员识别现场发生的问题，例如卡车冰箱单元的故障，并将驾驶员引导至最接近计划的运送路线的维修站。在过去，冰箱故障可能导致易腐烂库存和错过交货的不可避免的损失。遥感现在正在帮助物流公司避免这些成本。

简化连接

随着对越来越多的网络传感器的依赖性日益增加，需要更高效，更实用的技术将传感器连接到主机系统。传统的传感器连接（例如模拟（4-20 mA））或串行数字连接（例如RS-232/485）越来越多地出现了难以接线的挑战，不仅妨碍了安装，而且减慢了维护和维修的速度并使其复杂化。 IO Link提供标准化I/O技术，解决传感器网络“最终仪表”中的接线挑战，如图1所示。

图1：IO Link以多种方式简化了传感器互连，包括允许使用标准电缆。

IO Link标准化为IEC 61131-9，允许传感器/执行器设备与连接到以太网或Profibus等网络的主站之间的点对点连接。主设备可以有多个端口，每个端口为一个IO链路设备提供连接。 IO Link提供主设备和设备之间的智能交互，允许用户可控制的帧长度为2到32个字节以及一系列数据速率。设备参数存储在主设备上，简化了使用相同设备更换故障设备的过程。此外，该设备还包含一个IO设备描述（IODD）文件，其中包含制造商和功能信息，以及内部设备ID，可以向主设备全面识别设备。 IO Link基于长期建立的技术指定与设备的3线连接，从而实现电缆组件和接口的标准化，以连接来自不同制造商的各种类型的传感器和主设备。

IO Link传感器或执行器可能包含一个IC，例如Maxim MAX14821 IO-Link器件收发器。该器件用作物理层接口，与运行数据链路层协议的微控制器配合使用，如图2所示。同样，MAX14824 IO Link主收发器提供物理链路层，用于主控制器。带内SPI寻址和可选择的SPI地址使该器件可用于连接多达16个器件。其12 MHz SPI接口可确保在如此高端口数的应用中实现低延迟。

图2：MAX14821 IO Link器件收发器通过C/Q引脚将传感器连接到IO Link主机。

使传感器变得更智能

通过包含微控制器，传感器和传感器可以成为智能设备，实现校准，信号处理和更复杂的功能，从中央控制器卸载决策。图3显示了使用热电偶或电阻温度检测器（RTD）的温度传感器的主要传感，信号调理，微控制器和网络接口功能。

图3：采用精密模拟前端电路的智能传感器架构。

设计传感器（尤其是工业应用）时的一个关键挑战在于捕获和调节传感元件产生的极小振幅信号。特别是，工业应用往往会受到高水平的电噪声和浪涌电压的影响，这些电压需要精确的模拟电路将原始传感器输出转换为微控制器或数字信号处理器可接受的数字信号。德州仪器（TI）拥有多种用于各种传感应用的模拟前端IC，包括温度传感，可为这一挑战提供单芯片解决方案。

ADS1248 24位2 ksample/s模数转换器（ADC），如图3所示，针对温度传感器进行了优化，并集成了低噪声可编程增益放大器（PGA），精度高ADC具有数字滤波器和低漂移电压基准。还集成了精密电流源，可用于提供热敏电阻或其他RTD型温度传感器。图中所示的微控制器可用于处理网络接口和主机通信，以及其他功能，如本地显示器。

同样，TI提供PGA309电压输出可编程传感器调节器，该调节器针对桥式激励型传感器（如压阻式或陶瓷膜压力传感器）进行了优化。它可以如图3所示使用，并具有内置电路，可补偿传感器线性化误差，跨度，偏移和温度漂移以及校准。它还能够检测传感器是否发生故障。 TI还具有各种离散精密ADC，如ADS1274，能够采样高达144 ksample/s，可与流量计等传感器配合使用。

标准化接口

智能传感器的快速发展和智能传感器市场的发展存在一些障碍。这些包括传感材料或技术与微电子电路之间的各种不兼容性，这可能妨碍传感器和智能电路的紧密集成或共同封装。也许更重要的是传感器生产商可能不想构建多种变体来连接多种网络标准，如以太网，Profibus或其他。实际上，传感器构建者可能根本不想参与网络连接方面。

IEEE 1451标准的开发旨在解决这些类型的问题，提出智能传感器的传感和网络连接功能之间的标准化接口。图4说明了IEEE 1451计划模型和传感器分区如何实现这种标准化。

图4：IEEE 1451中描述的智能传感器分区。

如图所示对传感器进行分区有效地使来自任何制造商的兼容传感器模块能够插入来自任何其他制造商的兼容网络接口模块。网络接口模块可以支持以太网，Profibus或其他类型的连接。此外，IEEE 1451框架提出了一个标准的传感器电子数据表（TEDS），它包含在传感器模块中，它描述了传感器到主机网络。由此产生的包括智能传感器和网络接口模块的单元能够作为即插即用单元直接连接到网络。这可以减少将传感器连接到网络时的人为错误，简化智能传感器网络的安装和维护，并允许以最短的停机时间快速轻松地更换或升级传感器。

IEEE 1451的各个方面和原理，特别是TEDS和STIM标准，已被用于商业传感器产品中，以促进智能接口和网络连接。 IEEE 1451还为Java分布式数据采集和控制（JDDAC）平台提供了基础，该平台使Java应用程序能够连接到各种传感器和执行器。

远程连接

通过合适的网络接口，智能传感器能够使用各种标准进行通信。这些可能是特定于应用的标准，例如控制器区域网络（CAN），高速可寻址远程传感器协议（HART），Profibus或工业以太网衍生产品，例如EtherCAT。同样，可以支持诸如标准以太网或因特网协议（IP）之类的通用连接。借助IP支持和嵌入式Web服务器，智能传感器可以连接到互联网，从而提供从世界上几乎任何地方监控设备的机会。

由于多种原因，还需要无线连接到智能传感器。在一个工业站点内，使用ZigBee®等标准的无线网络可以轻松扩展或调整网络，而无需大量新的基础设施。这可以使用IEEE 802.15.4无线电收发器或智能或无线微控制器（例如STMicroelectronics的STM32W系列）来实现，该系列包含32位ARM®Cortex™-M3微控制器和集成的IEEE 802.15.4无线电。

随着物联网（IOT）和其他应用的快速发展，例如需要通过蜂窝网络实现机器对机器（M2M）连接的远程信息处理，各种嵌入式调制解调器可用于支持GSM等蜂窝标准， GPRS/EDGE和CDMA，允许连接到全球各个地区使用的网络。嵌入式调制解调器，如Multi-Tech MTSMC-C1-N16-SP（见图5），是一款双频800/1900 MHz CDMA2000调制解调器，也支持以太网和Wi-Fi®接入，并经过预先认证，适用于网络标准。它采用Multi-Tech建立的标准嵌入式调制解调器引脚，可通过串行连接直接连接到UART或微控制器。

图5.嵌入式蜂窝调制解调器（如Multi-Tech Systems的SocketModem®系列）可以直接连接到微控制器。

结论

依靠智能传感器来帮助管理资源和提高生产力将继续增长。精确感应需要特别注意模拟设计。可提供单芯片AFE，可在使用特定传感器类型时克服这些挑战。随着更多传感器的部署和新的传感方案的出现，需要有效且抗误差的方法将传感器连接到网络和中央控制器，同时允许人工监督员进行监控。

仔细考虑智能传感器和网络接口功能之间的接口，利用传感器特定的标准以及各种网络和通信标准，允许在本地范围内准确监控和控制多种类型的系统区域，或跨越数百甚至数千英里的距离。