• 物聯網節點的共通性:需要電源來運作

    2018-09-21 16:30:41 來源:pcbbbs
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    物聯網(IoT)連結性是一個熱門話題,但除了在因特網方面,它并不是一個新概念;幾十年來,工業以及某些商業應用就會將各個種類的傳感器以及換能器(transducer)鏈接到以計算機為基礎的數據捕獲設備與控制系統,物聯網只是擴大了那些終端節點的范圍與數量。

     

    要以物理方法傳輸訊號與數據有許多技術選項,有的方案僅需要最低程度的訊號調節(signal conditioning),有的則是更適合需要完全調節與數字化的訊號。在眾多選項中,包括利用RS-432/485接口的有線鏈接方案,還有ZigBee、藍牙、Wi-Fi等等專有無線通信方案。

     

    所有物聯網節點都有一個共通性:需要電源來運作。這可以透過能量采集(如太陽能、振動、RF等等方法),或是較長續航力的電池;使用以低占空比(low duty cycle)、低休眠電流以及恰當電池的系統,很容易可以達到10年的電池壽命。

     

    其實有一種較舊的、有線的解決方案可以解決這個電源的問題──也就是自供電20mA電流回路(current-loop)界面(如圖1)。我們很容易可以假設這個簡單、古老的接口已經幾乎過時,也不被推薦應用于新設計,但情況并非如此;事實上,IC供貨商們仍持續推出采用這種回路的、功能更強大的新產品。

     

    圖1:自供電電流回路的設計是簡單與技術簡潔性的范例,也是其優點(來源:ZHAW Zurich University of Applied Sciences)

     

    在今年稍早Maxim針對發表的MAX12900超低功耗、高度整合4~20mA傳感器發射器模擬前端(AFE)就是一個例子(圖2);該組件包括許多額外功能,但核心功能是可透過雙線4~20mA電流回路接收電源并傳輸數據。其主要限制在于傳感器與其調節功能功耗不超過3~4mA,而這種情況可能會需要外接傳感器電源或是更多的線路,這會削弱自供電優勢。

     

    圖2:MAX12900是一款相對較新的、采用自供電電流回路接口的組件(來源:Maxim Integrated)

     

    為何電流回路接口這種舊技術還被運用于新組件的設計?以下簡單介紹其背景,會對理解原因有幫助。

     

    隨著控制系統在1930年代與1950年代從氣動式(pneumatic)演變為電氣式,最常見的接口就是0~20mA電流回路,也被稱為4~20mA回路。其概念相當簡單有效:目標訊號──無論是來自傳感器或是傳輸至作用換能器──最低訊號值為4mA,最高則為20mA。

     

    雖然這種回路最初是為模擬訊號設計,卻沒有任何控制協議,因此也可以被用于呈現數字訊號而非模擬訊號,其格式結構(format structure)可以最小化。而在幾十年前,隨著訊號調節電路以及其ADC/DAC大幅降低功耗,以數mA的「免費」電源來讓該類電路運作變得實際可行。

     

    無論能不能自供電,電流回路在工業化應用上都能帶來一些顯著優勢;不同于諸如RS-423/485等電壓接口,這種低阻抗回路對EMI相對免疫,這在工業應用環境中是一大優勢。此外,該回路具有一種整體性的、不花費成本的方法能讓系統知道線路損壞(最常見的故障模式),因為電流會下降至容易識別的0mA。最后,做為一種單回路涵蓋每個端點(one-loop-per-endpoint)的互連,它相當容易安裝、標記、追蹤以及除錯。

     

    而其缺點是,隨著工業回路的數量增加,線路成本與安裝工作負擔也會增加,此外需要提供每個回路一個從幾V到大約24VDC的電流源;如果是跨不同位置的多個回路,可能還需要電氣隔離以避免接地回路(ground-loop)問題。

     

    毫無疑問,老牌自供電電流回路仍有它的一席之地;與大多數的工程決策一樣,沒有簡單、唯一的「正確選項」,只有針對不同應用的「最佳解決方案」,而這當然需要經過權衡與妥協。無論如何,在一些較舊的、由來已久的技術仍是好選擇時,不要太快奔向那些最新、最厲害的解決方案。

     

    你在換能器設計上使用過20mA自供電回路嗎?你是否嘗試使用過更復雜的接口,像是ZigBee、Wi-Fi或是經典的RS-422/485,只為了達到電流回路就可以達到的效果嗎?歡迎分享你的看法!

     
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