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(guò)程控制領(lǐng)域有許多不同類(lèi)型的過(guò)程輸入，包括溫度、濕度、流量、液位和壓力。這些過(guò)程輸入需要由傳感器進(jìn)行測(cè)量，這些傳感器可以將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為合適的信號(hào)格式（模擬或數(shù)字），然后通過(guò)發(fā)送器將這些信號(hào)傳輸?shù)浇邮掌?，接收器?huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)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(lái)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(chǔ)應(yīng)用軟件和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行許多其他功能。
4mA 至 20mA 電流環(huán)路的過(guò)程控制示例
我們從 4mA 到 20mA 電流環(huán)路開(kāi)始。這些控制環(huán)路用于在工業(yè)過(guò)程監(jiān)控、控制和自動(dòng)化應(yīng)用中遠(yuǎn)距離將遠(yuǎn)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(cè)器 (RTD) 溫度測(cè)量發(fā)送器。它由四個(gè)主要塊組成：
- ADC：對(duì)于 RTD 傳感器測(cè)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(gè)具有集成運(yùn)算放大器的低功耗 DAC。
- MCU：控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括數(shù)據(jù)處理和校準(zhǔn)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(guān)鍵元件，因?yàn)樗枰鎯?chǔ)從 RTD 收集的數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)處理和傳感器校準(zhǔn)以及系統(tǒng)的整體控制操作。通過(guò)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(jiǎn)化模擬信號(hào)鏈開(kāi)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(yùn)行應(yīng)用固件，包括用于系統(tǒng)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理的算法。MSPM0G1505 的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是允許設(shè)計(jì)人員將 DAC 塊移入 MCU。它還提供斬波穩(wěn)定運(yùn)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(guò)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(zhǔn)電壓，并與內(nèi)部運(yùn)算放大器配合使用以直接驅(qū)動(dòng)輸出。第一個(gè)運(yùn)算放大器配置了一個(gè)緩沖器，用于在內(nèi)部增強(qiáng) DAC 驅(qū)動(dòng)能力。第二個(gè)運(yùn)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(zhuān)用于同相和反相輸入。第一個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端連接到第二個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端。第二個(gè)運(yùn)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(shè)，可實(shí)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(jiǎn)化布局。憑借集成到 MCU 中的先進(jìn)斬波穩(wěn)定型運(yùn)算放大器，現(xiàn)在可以通過(guò)在 MCU 中引入模擬信號(hào)鏈來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，而不會(huì)影響性能。MSPM0 斬波穩(wěn)定型運(yùn)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(yīng)用中的測(cè)量誤差。借助靈活的片上模擬互連，可以使用片上 DAC 設(shè)置偏置點(diǎn)，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(dòng)或級(jí)聯(lián)放大器拓?fù)?。MSPM0 還支持 1.8V 低功耗運(yùn)行。這進(jìn)一步降低了功耗，因?yàn)樵谀承┣闆r下，整個(gè) 2 線制變送器僅可提供 25mW 的功耗。
RTD 溫度變送器 IO-Link 設(shè)計(jì)
現(xiàn)在，我們來(lái)看看另一種形式的現(xiàn)場(chǎng)變送器。IO-Link 提供了分立式連接的替代方案。除了提供無(wú)縫通信和改進(jìn)的互操作性之外，這種傳感器和傳動(dòng)器級(jí)的數(shù)字接口在維護(hù)和維修方面還具有優(yōu)勢(shì)。圖 4 顯示了使用 IO-Link 標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)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(cè)得的 RTD 電阻計(jì)算溫度。查找表將測(cè)量的電壓電平轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值。為此，一旦 ADC 提供數(shù)據(jù)就緒信息，MSPM0L1304 就會(huì)獲取一個(gè)數(shù)據(jù)集。計(jì)算完成后，溫度數(shù)據(jù)通過(guò) IO-Link 接口傳輸。當(dāng)系統(tǒng)連接到 IO-Link 主系統(tǒng)時(shí)，主軟件中會(huì)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(lǐng)將 TI 廣泛的模擬經(jīng)驗(yàn)引入性能和成本優(yōu)化型 MCU 產(chǎn)品的趨勢(shì)。MSPM0L13xx、MSPM0G150x 和 MSPM0G350x MCU 系列提供額外的集成模擬模塊，旨在簡(jiǎn)化模擬信號(hào)鏈開(kāi)發(fā)、降低成本并減小 PCB 尺寸。MSPM0 產(chǎn)品系列提供引腳對(duì)引腳兼容的封裝、可變存儲(chǔ)器大小和外設(shè)功能集以及支持 1.8V 的超低功耗，非常適合現(xiàn)場(chǎng)傳感器和變送器應(yīng)用。
資源
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