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用一个旧自供电电流回路,解决物联网节点共通性问题

时间:2018-09-20 作者:Bill Schweber, EE Times/EDN/Planet Analog 阅读:
所有物联网节点都有一个共通性:需要电源来运作。这可以透过能量采集或是较长续航力的电池;有一种较旧的、有线的解决方案可以解决这个电源的问题...

物联网(IoT)连结性是一个热门话题,但除了在因特网方面,它并不是一个新概念;几十年来,工业以及某些商业应用就会将各个种类的传感器以及换能器(transducer)链接到以计算机为基础的数据捕获设备与控制系统,物联网只是扩大了那些终端节点的范围与数量。

要以物理方法传输讯号与数据有许多技术选项,有的方案仅需要最低程度的讯号调节(signal conditioning),有的则是更适合需要完全调节与数字化的讯号。在众多选项中,包括利用RS-432/485接口的有线链接方案,还有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等等专有无线通信方案。

所有物联网节点都有一个共通性:需要电源来运作。这可以透过能量采集(如太阳能、振动、RF等等方法),或是较长续航力的电池;使用以低占空比(low duty cycle)、低休眠电流以及恰当电池的系统,很容易可以达到10年的电池寿命。

其实有一种较旧的、有线的解决方案可以解决这个电源的问题──也就是自供电20mA电流回路(current-loop)界面(如图1)。我们很容易可以假设这个简单、古老的接口已经几乎过时,也不被推荐应用于新设计,但情况并非如此;事实上,IC供货商们仍持续推出采用这种回路的、功能更强大的新产品。

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图1:自供电电流回路的设计是简单与技术简洁性的范例,也是其优点(来源:ZHAW Zurich University of Applied Sciences)

在今年稍早Maxim针对发表的MAX12900超低功耗、高度整合4~20mA传感器发射器模拟前端(AFE)就是一个例子(图2);该组件包括许多额外功能,但核心功能是可透过双线4~20mA电流回路接收电源并传输数据。其主要限制在于传感器与其调节功能功耗不超过3~4mA,而这种情况可能会需要外接传感器电源或是更多的线路,这会削弱自供电优势。

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图2:MAX12900是一款相对较新的、采用自供电电流回路接口的组件(来源:Maxim Integrated)

为何电流回路接口这种旧技术还被运用于新组件的设计?以下简单介绍其背景,会对理解原因有帮助。

随着控制系统在1930年代与1950年代从气动式(pneumatic)演变为电气式,最常见的接口就是0~20mA电流回路,也被称为4~20mA回路。其概念相当简单有效:目标讯号──无论是来自传感器或是传输至作用换能器──最低讯号值为4mA,最高则为20mA。

虽然这种回路最初是为模拟讯号设计,却没有任何控制协议,因此也可以被用于呈现数字讯号而非模拟讯号,其格式结构(format structure)可以最小化。而在几十年前,随着讯号调节电路以及其ADC/DAC大幅降低功耗,以数mA的「免费」电源来让该类电路运作变得实际可行。

无论能不能自供电,电流回路在工业化应用上都能带来一些显著优势;不同于诸如RS-423/485等电压接口,这种低阻抗回路对EMI相对免疫,这在工业应用环境中是一大优势。此外,该回路具有一种整体性的、不花费成本的方法能让系统知道线路损坏(最常见的故障模式),因为电流会下降至容易识别的0mA。最后,做为一种单回路涵盖每个端点(one-loop-per-endpoint)的互连,它相当容易安装、标记、追踪以及除错。

而其缺点是,随着工业回路的数量增加,线路成本与安装工作负担也会增加,此外需要提供每个回路一个从几V到大约24VDC的电流源;如果是跨不同位置的多个回路,可能还需要电气隔离以避免接地回路(ground-loop)问题。

毫无疑问,老牌自供电电流回路仍有它的一席之地;与大多数的工程决策一样,没有简单、唯一的「正确选项」,只有针对不同应用的「最佳解决方案」,而这当然需要经过权衡与妥协。无论如何,在一些较旧的、由来已久的技术仍是好选择时,不要太快奔向那些最新、最厉害的解决方案。

你在换能器设计上使用过20mA自供电回路吗?你是否尝试使用过更复杂的接口,像是ZigBee、Wi-Fi或是经典的RS-422/485,只为了达到电流回路就可以达到的效果吗?欢迎分享你的看法!

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版,参考链接: The self-powered current loop: Still a viable transducer-interface option;Judith Cheng编译)

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