ZHCACC6 March 2023 MSPM0G1105 , MSPM0G1106 , MSPM0G1107 , MSPM0G1505 , MSPM0G1506 , MSPM0G1507 , MSPM0G3105 , MSPM0G3106 , MSPM0G3107 , MSPM0G3505 , MSPM0G3506 , MSPM0G3507 , MSPM0L1105 , MSPM0L1106 , MSPM0L1303 , MSPM0L1304 , MSPM0L1305 , MSPM0L1306 , MSPM0L1343 , MSPM0L1344 , MSPM0L1345 , MSPM0L1346
在過程控制領域有許多不同類型的過程輸入，包括溫度、濕度、流量、液位和壓力。這些過程輸入需要由傳感器進行測量，這些傳感器可以將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為合適的信號格式（模擬或數(shù)字），然后通過發(fā)送器將這些信號傳輸?shù)浇邮掌?，接收器會對信號進行解讀并做出控制決策。目前，將傳感器連接到接收器的主要方法有兩種：4mA 至 20mA 電流環(huán)路形式的模擬發(fā)送器，以及 IO-Link 等數(shù)字發(fā)送器。將傳感器連接到接收器有兩種主要方法：
- 采用 4mA 至 20mA 電流環(huán)路形式的模擬變送器
- 數(shù)字發(fā)送器，如 IO-Link
這兩種方法都需要微控制器 (MCU) 來連接系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，存儲應用軟件和校準數(shù)據(jù)，并執(zhí)行許多其他功能。
4mA 至 20mA 電流環(huán)路的過程控制示例
我們從 4mA 到 20mA 電流環(huán)路開始。這些控制環(huán)路用于在工業(yè)過程監(jiān)控、控制和自動化應用中遠距離將遠程傳感器信息傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破?(PLC)。圖 1 顯示了用于雙線制 4mA 至 20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)的典型電阻溫度檢測器 (RTD) 溫度測量發(fā)送器。它由四個主要塊組成：
- ADC：對于 RTD 傳感器測量，這通常是具有內(nèi)部 PGA 和可編程電流源的低功耗低噪聲 Σ-Δ ADC。
- DAC：用于電流環(huán)路控制的輸出，這通常是一個具有集成運算放大器的低功耗 DAC。
- MCU：控制整個系統(tǒng)的運行，包括數(shù)據(jù)處理和校準算法。
- 直流/直流轉(zhuǎn)換器：變送器電源。
圖 1 RTD 溫度變送器的典型方框圖MCU 是系統(tǒng)的關鍵元件，因為它需要存儲從 RTD 收集的數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)處理和傳感器校準以及系統(tǒng)的整體控制操作。通過使用 MSPM0L13xx、MSPM0G150x 和 MSPM0G350x MCU 系列中基于 Arm? Cortex?-M0+ 的 MSPM0，工程師還可以利用集成模擬模塊。這些器件旨在簡化模擬信號鏈開發(fā)、降低成本并減小 PCB 尺寸。這些集成模擬模塊可以改善 RTD 溫度變送器，如圖 2 所示。
圖 2 基于 MSPM0G1505 的 RTD 溫度變送器方框圖在此示例中，MSPM0G1505 運行應用固件，包括用于系統(tǒng)校準和數(shù)據(jù)處理的算法。MSPM0G1505 的一個主要優(yōu)勢是允許設計人員將 DAC 塊移入 MCU。它還提供斬波穩(wěn)定運算放大器等附加集成模擬，從而允許將更多元件吸收到 MCU 中。
通過集成差異化模擬元件優(yōu)化 RTD 溫度變送器
圖 3 顯示了如何將 MSPM0G1505 中的內(nèi)部模擬元件配置為在接收器上生成回路電流。內(nèi)部 12 位 DAC 可用作基準電壓，并與內(nèi)部運算放大器配合使用以直接驅(qū)動輸出。第一個運算放大器配置了一個緩沖器，用于在內(nèi)部增強 DAC 驅(qū)動能力。第二個運算放大器配置為通用放大器，其中 MCU 上的 OPA1_IN0+ 和 OPA1_IN0- 引腳專用于同相和反相輸入。第一個運算放大器的輸出端連接到第二個運算放大器的同相輸入端。第二個運算放大器的輸出控制外部晶體管的柵極電壓，然后環(huán)路電流是流經(jīng) R1 和 R2 的電流之和。
圖 3 MSPM0G1505 內(nèi)部模擬的配置和連接利用 MSPM0G1505 的集成外設，可實現(xiàn)低元件數(shù)量和低成本的解決方案。它還有助于減小 PCB 尺寸并簡化布局。憑借集成到 MCU 中的先進斬波穩(wěn)定型運算放大器，現(xiàn)在可以通過在 MCU 中引入模擬信號鏈來簡化設計，而不會影響性能。MSPM0 斬波穩(wěn)定型運算放大器在 -40°C 至 125oC 的工作范圍內(nèi)提供小于 ±0.5mV 的輸入溫漂，從而顯著降低高增益應用中的測量誤差。借助靈活的片上模擬互連，可以使用片上 DAC 設置偏置點，創(chuàng)建各種模擬電路，包括反相/同相放大器、緩沖器、PGA（從 1 倍到 32 倍增益）以及差動或級聯(lián)放大器拓撲。MSPM0 還支持 1.8V 低功耗運行。這進一步降低了功耗，因為在某些情況下，整個 2 線制變送器僅可提供 25mW 的功耗。
RTD 溫度變送器 IO-Link 設計
現(xiàn)在，我們來看看另一種形式的現(xiàn)場變送器。IO-Link 提供了分立式連接的替代方案。除了提供無縫通信和改進的互操作性之外，這種傳感器和傳動器級的數(shù)字接口在維護和維修方面還具有優(yōu)勢。圖 4 顯示了使用 IO-Link 標準升級的 RTD 溫度變送器。
圖 4 基于 MSPM0L1304 的 RTD 溫度變送器方框圖MSPM0L1304 可用于根據(jù)測得的 RTD 電阻計算溫度。查找表將測量的電壓電平轉(zhuǎn)換為相應的溫度值。為此，一旦 ADC 提供數(shù)據(jù)就緒信息，MSPM0L1304 就會獲取一個數(shù)據(jù)集。計算完成后，溫度數(shù)據(jù)通過 IO-Link 接口傳輸。當系統(tǒng)連接到 IO-Link 主系統(tǒng)時，主軟件中會顯示溫度信息。MSPM0L1304 還具有用于 IO-Link 通信的 IO-Link 堆棧。
總結(jié)
MSPM0 MCU 繼續(xù)引領將 TI 廣泛的模擬經(jīng)驗引入性能和成本優(yōu)化型 MCU 產(chǎn)品的趨勢。MSPM0L13xx、MSPM0G150x 和 MSPM0G350x MCU 系列提供額外的集成模擬模塊，旨在簡化模擬信號鏈開發(fā)、降低成本并減小 PCB 尺寸。MSPM0 產(chǎn)品系列提供引腳對引腳兼容的封裝、可變存儲器大小和外設功能集以及支持 1.8V 的超低功耗，非常適合現(xiàn)場傳感器和變送器應用。
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