與其他工業系統一樣，可在現場監測溫度、壓力、流量、液位、位置、角度、酸鹼值(pH)、含氧量、氣體探測、腐蝕情況等流程控制變數的量測設備或智慧感測器，正朝著更高效率、更佳強固性、更高通道密度、更快速度不斷進展，因而也促進半導體元件新技術方案的發展。
具體來說，如今的儀表和感測器尺寸變得越來越小，因此對半導體元件的規格要求也愈來愈嚴格，包括晶片尺寸要更小、功能整合度更高，且額定溫度、安全性和處理效率也要大幅提升。如微控制器(MCU)既需要功耗更低，也須具備更強的處理能力。
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| 圖1 典型的工業流程控制系統的感測器執行器網路架構 |
工業現場量測設備通常是透過感測器感知現場物理及化學的變數，並將資訊發送至可程式邏輯控制器(PLC)控制模組(如圖1左下側所示)。一般感測器分為兩種類型：一類是迴路供電型，採用二線式連接，同時提供電源和通訊，從控制室經由電流迴路供電，對於標準傳送器，整個傳送器的工作電流必須小於3.2毫安培(mA)，而對於支援高速可定址遠端感測器(HART)的感測器則必須小於2.7毫安培。另一類是非迴路供電型，採用四線式連接，兩條用於電源，兩條用於通訊，無功耗限制，用於無法從電流迴路蒐集足夠電源的情況。
二線式連接就是4～20毫安培的迴路，儀表的電源和傳送的資訊都是在這兩根線上提供的，通常規定的最小電壓是要≧12伏特(V)，最小的工作電流必須小於4毫安培，這樣它的整體可用功率就很小(<50mW)，顯然符合工業流程控制系統對更高效率的發展需求。但這對半導體元件選擇和電路設計的低功耗提出了很高的要求，因為實際應用中要求會更嚴格。
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| 圖2 現場量測設備訊號鏈--迴路供電壓力傳感器 |
以迴路供電型壓力感測器為例，其訊號鏈電路組成如圖2所示，輸入部分包括儀表放大器、類比數位轉換器(ADC)、微處理器、微控制器；輸出部分數位類比轉換器(DAC)驅動是雙迴路的輸出，並從迴路上取得電，然後再把它變成電壓形成電源電路，同時還包括液晶顯示器(LCD)顯示人機介面、系統的整個時脈等等。整個電路系統可用的功率必須要小於50毫瓦特(mW)，實際應用中要求更嚴格，系統工作電流必須小於4毫安培，包括感測器、類比數位轉換器、微控制器、4～20毫安培電路電源，每種元件都要求消耗盡可能低的功耗。
因此，回到文章開頭提到的，現在流程控制系統需要更小尺寸、更高整合度的元件，其工作溫度範圍要更寬，效率更高，而且對安全性的要求也更高，處理器的能力要求更高、功耗需更低。
半導體廠為迴路供電的現場量測設備/感測器提供滿足這些要求的元件方案，本文將根據圖2訊號鏈中的四大關鍵環節的設計需求和挑戰，逐一解析。
整合式類比前端露鋒芒
以亞德諾(ADI)近期推出的低功耗AD779X系列為例，其整合儀表放大器和高準確度Σ-Δ型ADC，非常適合高準確度測量應用的低功耗、低雜訊、完整類比前端。
它們內建一個低雜訊16位元/24位元Σ-Δ型ADC，其中含有三個/六個差動類比輸入，利用晶片內建的多工器來切換多路通道；還整合低雜訊儀表放大器，因而可直接輸入小訊號。
此外，還內建一個精密低雜訊、低漂移內部帶隙參考電壓源，而且也可採用一個外部差動參考電壓。其他內建特性包括可程式設計激勵電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產生器。
這幾乎就是在一顆晶片上實現了一個完整的類比前端，只須極少的周邊晶片直接就可以處理熱電阻或熱電偶的訊號，適用於壓力感測器或熱電偶感測器(冷結補償)等應用。
AD779X系列工作電流極低，只有300～450微安培(μA)，因而可實現極低的功耗；可以採用內部或外部時脈工作，輸出資料速率可藉由軟體程式設計設置(4SPS至500SPS)；同時具備出色的偏移和漂移規格，內建的數位濾波器可實現50Hz和60Hz同時抑制。
精密類比微控制器整合度更高
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| 圖3 精密類比微控制器ADuCM360的系統方塊圖 |
除了分離式類比前端系統晶片外，半導體業者還提供整合度更高的解決方案，把前端(多工器、儀表放大器、ADC)再加上微控制器，包括像時脈看門狗、系統的診斷等功能全部整合在一起，如亞德諾的ADuCM360--它的核心是安謀國際(ARM)Cortex-M3。
圖3是ADuCM360系統方塊圖。ADuCM360是完全整合的3.9kSPS、24位元資料蒐集系統，在單晶片上整合雙核心高性能多通道Σ-Δ型ADC、32位元ARM Cortex-M3微處理器和Flash/EE記憶體。在有線和電池供電量測設備應用中，ADuCM360可設計為與外部精密感測器直接連接。
對於圖2訊號鏈的迴路供電4～20毫安培輸出環節，非常適合採用高性能、低功耗整合式低成本DAC，如亞德諾的AD5421。該元件可結合標準HART FSK協定通訊電路，而且額定性能不會受到影響。高速序列介面能夠以30MHz速率工作，並且允許透過一個SPI相容型三線式介面與常用的微處理器和微控制器簡單相連。
在圖2所示訊號鏈中，AD5421可發揮增強的故障檢測功能：它對SPI的介面有一個看門狗計時器，SPI介面可有分組錯誤的校驗，還有迴路電流、電壓的監測，並可對晶片本身溫度進行監測，還有就是可以進行電源電壓的監控，確保系統的安全和可靠性。
HART通訊增強測量/診斷功能
隨著全球工業流程控制系統朝著需要更多診斷功能、須要進行資產管理、需要更多通訊的趨勢發展，HART逐步成為一個通行的準數位標準，在傳統單向、單通道、診斷功能有限(正常/故障)的4～20毫安培工業匯流排上增加一個HART選項，透過調頻的方式，疊加數位的訊號，來實現增強的測量能力和雙向診斷功能。
近來新的趨勢是控制器、PLC以及DCS等解決方案供應商也開始在自己的I/O模組和控制器模組上，加入HART功能。
因應市場趨勢，主要半導體廠已研發出能高度滿足HART標準規格要求的整合式低功耗HART FSK半雙工數據機，其整合所有必要的濾波、訊號檢測、調變、解調和訊號產生功能，同時還整合了全溫度範圍內都能保證準確度為0.5%的精密振盪器，此外，新一代HART FSK半雙工數據機更包含精密載波檢測電路且採用標準通用異步收發機(UART)介面，和業界同類產品相比，將可減少60%的外部元件，是低功耗迴路供電型應用的最佳選擇。
(本文作者任職於亞德諾)