本文介绍如何快速重新设计电阻温度检测器（RTD）工业温度感测器，以更精巧尺寸、支援弹性通讯和远端配置的产品，满足智慧工厂对温度测量元件的需求。而运用高度整合类比前端（AFE）和IO-Link收发器将可实现上述目标。

老生常谈「没坏就别去修它」，劝诫我们不要动手改动性能可靠、正常运作的设备。可以说，这条建议适用於许多电阻温度检测器（resistance temperature detector；RTD）电路设计，而全球工业制造工厂通常使用这些感测器实现安全、高效的温度测量。

然而要满足工业4.0的要求，需要提高工厂智慧化水准，那麽，显然现有的许多RTD感测器无法满足这些环境的工作要求。更精巧的外型尺寸、弹性通讯和远端配置能力，这是自动化工程师现在需要工业温度感测器提供的一些功能，但是现有的解决方案并不支援这些功能。

本文将重新审视许多基於RTD的温度感测器设计中使用的建构模组，探讨这些模组在感测器应用中的限制因素。然後，展示如何快速重新设计这种类型的感测器，以获得新工业时代所需的功能。

图1 : 基於RTD的温度感测器示例

温度感测器建构模组

RTD工业温度感测器的建构模组，如图2所示。

图2 : RTD工业温度感测器架构图

RTD将物理量（温度）转化为电讯号，一般用於检测－200。C至+850。C的温度，在这个温度范围内提供高度线性的回应。RTD中常用的金属元素包括镍（Ni）、铜（Cu）和铂（Pt），普遍使用的是Pt100和Pt1000铂RTD。RTD有两线、三线或四线形式，其中三线和四线形式较为常用。

RTD是被动元件，需要一个激励电流来产生输出电压。可以使用基准电压来产生此种电压，由运算放大器进行缓冲，随後将电流驱动到RTD，产生输出电压讯号，该讯号会随温度变化提供不同回应。根据使用的RTD类型和测得的温度，该讯号能产生几十到几百mV的电压，如图3所示。

图3 : Pt100 RTD响应不断升高的温度产生的电压讯号

AFE放大并调节低振幅RTD讯号，然後由类比数位转换器（ADC）对该讯号进行数位化处理，以便微控制器运行演算法对其进行非线性补偿。如此就会透过通讯介面，将数位讯号发送至程序控制器。AFE一般由包含多个元件讯号链构成，每个元件执行一项专用功能，如图4所示。

图4 : 讯号链中使用单一分立式元件实现的AFE

许多现有的温度感测器设计都使用这种分立式方法，该方法要求使用的印刷电路板（PCB）够大，能够容纳所有的积体电路（IC）、讯号和电源布线，并使感测器的外壳尺寸实际上尽量最小。

此外，还有一种更简洁优化的方法，就是使用整合式AFE，例如图5所示的AD7124-4。这个精巧型IC是一个完整的AFE，采用单一封装，包括多工器、基准电压源、可编程增益放大器和Σ-Δ ADC。其并提供RTD所需的激励电流，因此能取代前一张图中的五个讯号链元件，大幅减少所需的板空间，使感测器能够采用更小巧的封装。

图5 : 使用AD7124-4实现AFE

通讯介面

许多工业感测器设计都是使用一个（或多个）工业网路连接至程序控制器，其中包括多种版本的现场汇流排或工业乙太网路。这需要使用专用积体电路（ASIC）来实现所选的网路通讯协定。但是，此种方法有几个缺点。

首先，在感测器设计中整合网路专用ASIC会大幅增加成本，尤其当工业网路为私人网路络时。还会使感测器市场仅局限於使用该网路的使用者。同一个感测器要支援不同的网路通讯协定，需要重新设计，增加所需的ASIC，这个过程非常耗时、耗费成本而且风险很大。

最後，诊断功能的数量和类型因网路类型不同存在很大差异（有些网路类型不提供诊断功能）。基於具体的选择，在感测器安装到现场後，工厂操作人员可能很难判断感测器的潜在问题，进行相应的维护，并解决感测器出现的性能问题。

图6 : 控制器一侧的IO-Link主机收发器执行与工业网路之间的通信

还有一个更好的方法，就是设计一个与所有工业网路保持独立的感测器，进而降低开发成本，并扩大潜在客户群，而这可以透过IO-Link来完成设计，IO-Link是三线工业通讯标准，支援感测器（和执行器）与所有工业控制网路相连。

在IO-Link应用中，收发器充当连接运行数据连结层协定的微控制器的实体层介面。使用IO-Link的优势在於，其能够进行四种类型的传输：过程数据、诊断、配置和事件，能够在发生故障时快速识别、追踪和处理感测器。其并支援远端配置，例如如果需要更改触发过程警报的温度??值，可以远端进行更改，无需技术人员前往现场操作。

MAX14828为一款低功耗、超小型IO-Link元件收发器。该元件采用（4 mm × 4 mm） 24接脚TQFN封装和（2.5 mm × 2.5 mm）晶圆级封装（WLP），易於整合到工业RTD温度和其他类型的感测器中。该收发器直接与程序控制器端的IO-Link主机通讯，该主机用於管理与介面ASIC之间的通讯（如图6所示），因此感测器能够独立於工业网路。

结论

智慧工厂自动化工程师对工业温度感测器的期??不断提高，包括更精巧的尺寸、弹性通讯和远端配置能力。本文展示如何利用高度整合的AFE快速重新设计RTD温度感测器以减小其封装尺寸，并且展示IO-Link元件收发器如何使感测器能够不依赖用於连接程序控制器的工业网路介面，而保持独立运作。

本文侧重於RTD温度感测器，但如此重新设计的方式，也可适用於使用热敏电阻或热电偶感测器的温度感测器。

（本文作者Michael Jackson为ADI 产品应用工程师、Brian Condell 为终端市场专家）