技术

<strong>Thomas Brand ADI公司</strong>

目前工业的数字化转型正在全面展开。几乎每个人都在使用（工业）物联网、智能工厂或信息物理（生产）系统这样的流行语。在工业强国之一的德国，它被称为Industrie 4.0，而在世界的其他部分则被称为“工业4.0”。

然而，似乎没有人知道它的确切含义——虽然存在各种不同的解释，但没有明确的定义。对许多人来说，迈向工业4.0已成为日常生活的一部分，不断的重复使得这一概念不再新鲜。尽管数字化和网络已经成为频繁使用的流行语，但对工业4.0的理解也毫无帮助。

<strong>Jens Sorenson和Richard Anslow ADI公司</strong>

旋转编码器广泛用于工业自动化系统中。此类编码器的典型应用是电力机械，其中编码器连接到旋转轴，从而向控制系统提供反馈。虽然编码器的主要用途是角度位置和速度测量，但系统诊断和参数配置等其他特性也很常见。图1显示了一个电机控制信号链，其利用RS-485收发器和微处理器连接绝对编码器（ABS编码器）从机和工业伺服驱动器主机，以实现对交流电机的闭环控制。

工业以太网系统需要比办公以太网更加稳定可靠。

以太网，尤其是工业以太网近来已成为制造业的热门词汇。虽然类似，却各有特点，各有优势。本文将介绍以太网和工业以太网，并比较二者的不同。

<strong>何谓以太网？</strong>

在高电流背板应用中要求实现电路板的带电插拔，这就需要兼具低导通电阻 (在稳态操作期间) 和针对瞬态情况之高安全工作区 (SOA) 的 MOSFET。通常，专为拥有低导通电阻而优化的新式 MOSFET 并不适合高 SOA 热插拔应用。

LTC®4234 是一款针对热插拔 (Hot Swap™) 应用的集成型解决方案，其允许电路板在带电背板上安全地插入和拔出。该器件把一个热插拔控制器、功率 MOSFET 和电流检测电阻器集成在单个封装中，以满足小型化应用的要求。对 MOSFET 的安全工作区进行了生产测试，并保证其能承受热插拔应用中的应力。

LTC4234 的 3.3mΩ 内部 MOSFET 和 0.7mΩ 检测电阻器可支持高达 20A 的负载电流。在该电流水平下，LTC4234 的功率耗散为：

<strong>作者：David Guo</strong>

运算放大器通常用于在工业流程控制、科学仪器和医疗设备等各种应用中产生高性能电流源。《模拟对话》1967年第1卷第1期上发表的“单放大器电流源”介绍了几种电流源电路，它们可以提供通过浮动负载或接地负载的恒流。在压力变送器和气体探测器等工业应用中，这些电路广泛应用于提供4-mA至20mA或0-mA至20-mA的电流。

图1所示的改进型Howland电流源非常受欢迎，因为它可以驱动接地负载。允许相对较高电流的晶体管可以用MOSFET取代，以便达到更高的电流。对于低成本、低电流应用，可以去除晶体管，如《模拟对话》2009年第43卷第3期“差动放大器构成精密电流源的核心”所述。

这种电流源的精度取决于放大器和电阻。本文介绍如何选择外部电阻以最大程度减少误差。

<strong>作者：Brian Kennedy</strong>

许多应用都采用隔离式半桥栅极驱动器来控制大量功率，从要求高功率密度和效率的隔离式DC-DC电源模块，到高隔离电压和长期可靠性至关重要的太阳能逆变器等等，不一而足。本文将详细阐述这些设计理念，以展现采用小型封装的隔离式半桥栅极驱动器IC在造就高性能方面的卓越能力。

采用光耦合器隔离的基本半桥驱动器(如图1所示)以极性相反的信号来驱动高端和低端N沟道MOSFET(或IGBT)的栅极，由此来控制输出功率。驱动器必须具备低输出阻抗以减少传导损耗，同时还须具有快速开关能力以减少开关损耗。出于精度和效率的考虑，高端和低端驱动器需要具备高度匹配的时序特性，以便减少在半桥的第一个开关关闭，第二个开关开启前的停滞时间。

<strong>作者：Rob Reeder，ADI公司应用工程师</strong>

在1990年代早期，尺寸与现代笔记本电脑接近的“便携式”电话(有时也称为“背包电话”)广为使用。此后，不出二十年，口袋大小的手机已经可以收发邮件和文字消息、拍照、查询股票、预约，当然还能给世界上任何地方的人打电话。与此类似，在医疗领域，早期所谓的“便携式”超声系统是推车式的，且功耗较高、成本昂贵。幸运的是，超声系统近年来也得益于芯片集成和功耗调整技术的突破。

这些技术突破催生了更便携、更高效的超声系统，具有更佳的成像性能和更多的功能。更高的动态范围、更低的功耗以及更紧凑的系统级IC提供了高质量的图像，可更好地进行诊断。未来的超声系统可能是手持式的，并成为医师的第二个“听诊器”。

<strong>作者：Reza Moghimi，ADI公司应用工程经理</strong>

高精度应用需要精心设计的低噪声模拟前端来获得最佳信 噪比(SNR)，这就要求采用明智的方法来选择ADC以全面 准确地捕捉传感器信号。还要选用驱动运算放大器和基准 电压源等支持器件来优化电路性能。

<strong>作者 ：Tony Armstrong，电源产品部产品市场总监，凌力尔特公司</strong>

系统设计师和系统规划师必须从一开始就优先满足电源管理需求，以确保高效率的设计和成功的长期部署。幸运的是，领先的高性能模拟IC制造商现在提供越来越多的能量收集电源管理IC，从而极大地简化了此项任务。

能量收集的概念已经出现超过10年了，然而在现实环境中，由环境能源供电的系统一直很笨重、复杂和昂贵。不过，有些市场已经成功地采用了能量收集方法，如交通运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测和楼宇自动化市场。尤其是在楼宇自动化系统中，诸如占位传感器、自动调温器甚至光控开关等，以前安装时通常使用的电源或控制配线，现在已经不需要了，取而代之是，它们采用了局部能量收集系统。能量收集系统的一个主要应用是楼宇自动化系统中的无线传感器。

<strong>作者：Enrico Del Mastro、Michael Bradley</strong>

本应用笔记介绍如何擦除超级时序控制器的EEPROM空间，以及如何逐字节地写入该空间。

<strong>成块擦除EEPROM空间</strong>

欲对EEPROM空间进行块擦除，请执行下列步骤。

1. 将0x01写入UPDCFG寄存器0x90。这是存储器更新控制寄存器。向寄存器0x90写入0x01能使配置寄存器持续更新。建议在整个读/写在线测试(ICT)过程中使该位保持置位状态。

由于光伏(PV)太阳能面板设施可能发生新的危险，尤其是火灾，所以未来的太阳能设计要求光伏系统具备电弧检测能力。

今天我们将说说电弧检测需求的产生原因、对检测方法进行分析，并提出了一种可能的解决方案来将电弧检测集成到光伏逆变器设备和设施中。

<strong>直流电弧检测——研究</strong>

挪威科技大学(NTNU)研究显示，30 V的电压即足以引起并维持电弧。他们的测试方法聚焦于电压域以检测电弧。他们还观测到，当电弧燃烧时，光伏模块上的电压（典型值为60 V）下降。根据他们的电弧测试，压降幅度约为10 V。电压域分析的主要原因是实验中使用了一个低成本微控制器。若非如此，他们建议使用更强大的DSP对电流信号的功率谱密度进行分析。

当前市场在不断动态变化，促使设计周期越来越短，系统功能越来越强，而且终端系统更具便携性。这就要求必须采用新方法来简化这些挑战，同时又不增加设计复杂度。 本文将讨论控制和测量方面的一些关键系统挑战；许多不同应用都涉及到控制和测量，包括数据采集系统、工业自动化、可编程逻辑控制器和电机控制。 本文将探讨双极性数模转换器(DAC)架构的最新进展，以及这些拓扑结构如何应对终端系统挑战，例如：通过[比如]在相同或更少的空间中提供更多功能和智能。 本文还会探讨分立式和功能更完整的解决方案。 最后，本文会说明多种替代传统设计拓扑的方案，这些方案在设计重用和系统模块化方面具有更高的灵活性。

在本系列第一部分中，我们考察了以太网在工业自动化和控制领域相比现场总线的各种优势。以太网解决方案具有卓越的带宽优势和设备成本优势，还能轻松延伸到整个工厂，用单个网络就能连通车间系统和企业IT系统。以第三个特性为基础，我们还在第二部分开始探讨了融合型全厂以太网架构(CPwE)，这是罗克韦尔自动化有限公司与思科公司联合开发的一种参考架构，其目的是鼓励通过结合使用标准以太网和IP套件实现IAC系统的现代化。

<strong>CPwE概述与总结</strong>

在本系列第一部分中，我们探讨了以太网在自动化行业中的重要性，谈到了其相对于传统现场总线的优势。对于初创企业来说，以太网解决方案具有卓越的优势、能效比和设备选择自由性，这些优势全部来自其底层技术的灵活性、数十年的发展以及供应商群体的成熟度。

在本部分，我们将看看EtherNet/IP®，并考察如何在全厂自动化和控制系统中实施EtherNet/IP®。该标准以以太网为基础，基本兼容现有基础设施，这使其成为提升工厂性能、优化成本控制的绝佳选择。

思科与罗克韦尔自动化有限公司(Rockwell Automation)在2011年联合发布的一份出版物中解释道，“在竞争激烈的制造环境中，要实现必要的灵活性、可见性和效率，采用开放式行业标准网络技术的单一系统架构显得至关重要。”

目前，世界各地的制造工厂都依赖以太网解决方案来满足工业应用对实时性能和耐用性的要求。与传统现场总线相比，以太网能提供更快的速率，能更好地处理大批量数据，最终还能通过卓越的能效比和更加高效的设备节省更多开支。以太网还能单挑重任，作为唯一的组网技术，把车间的自动化系统连接到用于控制车间的企业IT系统——在提升性能的同时简化网络的整体设计。

以太网为何能在制造业发挥重大作用，如何发挥作用？以太网的崛起有多种原因，但有几个原因是需要注意的：

* 为避免冲突，目前的多数工业以太网都采用全双工工作模式。虽然在半双工模式下有可能发生冲突，但是，只要冲突帧之比不超过特定阈值，可能就不会构成问题。全双工则可以完全避免冲突。

<strong>Thomas Brand ADI公司</strong>

现今，尤其是在工业物联网 (IIoT) 或工业4.0的背景下，许多工业自动化技术的供应商和制造商都对独立于制造商的开放式通信平台充满渴望。制造商期望在系统范围内实现越来越多的自动化流程。因此，自动化必须考虑到IT系统对于开放数据访问的需求，以及工业控制系统的实时要求。以太网和工业以太网已经在这方面发挥了重要作用。相较于传统现场总线，这一网络技术具有诸多优势，比如在共享传输介质上高效同步地传输大量数据。PROFINET、EtherNet/IP®、EtherCAT®、POWERLINK®等常用工业以太网协议都在某种程度上允许与http或TCP/IP等传统协议共享同一以太网介质。

医疗保健行业面临三大挑战：人口越来越老，慢性病病例大幅增加，医疗保健费用也在爆炸式增长。预计未来20年，老年人口将呈指数增长。到2030年，欧洲人将超过65人，其中40％需要援助。没有得到足够的照顾，老年人有失去独立性的危险。因此，老年人高度期望独立的生活方式。但老年人的独立生活方式往往伴随着高风险。已经开发了许多利用各种传感器实现的智能家居技术，以跟踪和监测家中老年人的活动并帮助他们独立生活。

环境辅助生活（AAL）在这方面提供了一系列的好处。这些好处包括连接患者，医生和医疗设备，这大大提高了治疗和护理的效率。链接可以自动记录和评估患者的活动和健康数据，无论他们身在何处。因此，只有当患者的健康状况恶化时才需要拨打医疗人员。这里的目标是降低医疗保健部门的成本，并改善患者的护理，即使患者不再在医院中持续受到监控，也无法在日常生活中对其进行监控。

集成电路（IC）是所有现代安全系统的根本。集成电路提供逻辑并控制传感器，或者越来越多的是传感器。集成电路驱动最终元素以实现安全状态，并且它们是软件运行的平台。半导体内部集成的可能性可以简化系统级的实现，但这是以IC内部增加的复杂性为代价的。由于减少了部件数量，这种集成度提高了系统的可靠性，并提供了更高诊断覆盖率和更低诊断测试时间间隔的机会 - 所有成本都使安全性降低。有人可能会认为，由于增加了复杂性，这种整合水平是一件坏事。然而，随着集成电路复杂性的价格在模块和系统级别上可能会大大简化。令人惊讶的是，虽然存在处理过程控制，机械，电梯，变速驱动器和有毒气体传感器的功能安全标准，但没有专用于集成电路的功能安全标准。相反，要求和知识的零散部分遍布IEC 61508和其他B和C标准。本文为解释现有的半导体功能安全标准提供指导。没有专用于集成电路的功能安全标准。

车辆跟踪系统非常适合监视一辆汽车或整个车队。跟踪系统由自动跟踪硬件和用于收集数据（如果需要的话，还有数据传输）的软件组成。

今天，我们就来剖析下“车辆跟踪系统”。

<strong>1、主动跟踪器与被动跟踪器</strong>

主动跟踪器和被动跟踪器收集数据的方式相同，也同样准确。这两种类型跟踪器的主要区别在于时间。

凭借二十年的工业和汽车客户经验，我在电源设计故障排除方面拥有丰富的经验。在客户支持方面，当数据表中出现预期或承诺的问题时，您通常会接到电话。通常，当你接到电话时，布局已经完成，投入大量资金，解决问题的时间与项目管理的紧张程度一样紧密。

这些问题通常是由布局引起的。在演示板上，一切看上去和测量都很好。但是，在客户委员会做出更多妥协，这是一个不同的故事。你不能责怪布局人，他完成了他的工作，连接了所有需要的电路图，并将所有元件整齐排列在电路板上。要创建成功的电源布局，如果您打算从经过验证的布局中更改任何内容，则需要了解所涉及的物理特性。演示板布局可能会根据您的设计的不同要求进行优化，或者您的设计可能需要稍微不同的组件。