引领智能工控创新与变革的半导体技术:EDN China研讨会

智能工控的实现离不开智能仪表、智能电机控制、工业计算机集成、现场总线及通信、智能处理器以及电源、电路保护等一系列半导体技术的支撑。2013年6月27日，由EDN China主办的“工业电子智能工控的方案设计和实现”研讨会在北京展览馆举办，近两百名工程师参会，深入了解了ADI、Littelfuse、EXAR、TI、Freescale等公司在以上领域最新的技术成果，以及智能工控的最新发展和相关的系统设计。

EDN China“工业电子智能工控的方案设计和实现”研讨会实录
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《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} ADI用于回路供电型智能变送器的设计 采用4mA~20mA模拟电流信号进行传输数据以及设置的通信方式长期以来一直在工业仪表中广泛使用。随着仪表的日趋成熟，从早期的纯模拟系统发展到当前的智能系统，利用HART（可寻址远程传感器高速通道）协议等技术增强了通信功能，与此同时，传感器和致动器的仪表系统也成为现代工业控制的支柱。 当代的现场仪表，也就是众所周知的智能变送器，是基于微处理器的智能现场仪表，它用于监控过程控制变量，例如温度、质量流速和压力等。系统设计人员面临着一种直接挑战，也就是既要融合额外的智能、功能和诊断能力，同时又要开发出能够在4 mA~20 mA的环路所提供的有限功率范围内有效运行的系统。严格的安全标准、空间限制、HART通信、诊断和预见性维护将是未来的主流趋势。 为了获得合适的两线环路供电变送器系统设计，设计人员必须考虑许多不同的系统要求，包括精度、功耗预算、诊断和采用HART时的静默噪声限制。ADI公司的ADuCM360整合了双核、高性能、多通道Σ-Δ型ADC、一个32位ARM Cortex-M3 MCU，以及Flash/EE存储器。该器件工作电流为1mA，用于直接与工业过程控制中的4mA~20 mA外部环路供电型精密传感器接口。以ADuCM360为核心的完整闭环精密模拟微控制器热电偶测量系统CN0300，可提供4mA~20mA输出，为热电偶测量提供了完整的解决方案，所需外部元件极少，并且可针对高达28 V的环路电压采用环路供电。 HART通信协议是通过智能设备和控制或监控系统之间的模拟线路收发数字信息的全球标准，在这方面，ADI的AD5700是一款支持在智能传感器和工厂自动化设备等过程控制应用中实现 HART 连接的完整 HART调制解调器，它完全兼容HART，且有低功耗的优势。　AD5700 HART调制解调器IC能够在恶劣的高噪声工业环境中精确地对HART通信信号进行编码和解码，从而确保提供可靠的通信接口。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} Littelfuse：工业控制和自动化系统的电路保护方案 在电路保护领域，Littelfuse的产品线几乎是最宽泛的，主要包括过压保护、过流保护、电力监控和漏电保护继电器、电源控制与配电这四大系列。其中，保险丝、TVS二极管是Littelfuse主要的保护产品，用于保护半导体元件免受高电压瞬变损害。TVS二极管PN结具有比普通二极管的PN结更大的横截面积，因此能够将大电流接地而不遭受损坏。AK系列TVS二极管专用于保护贵重和重要设备，如电信基础设备、工业瞬态电压浪涌抑制系统（TVSS）、铁路轨道信号控制室、国防和航空电子设备以及电网和输电系统等。与传统方案相比，它寿命更长、保护电压更低、体积更小，例如运用在基站上，可取代原有大而笨重的防雷模块，进而可节省空间、提升系统性能。 针对近年来热门的以太网、USB 3.0、LED照明、LTE、风能、太阳能等应用，Littelfuse都有相关的产品推出，并获得市场的广泛认可。 Littelfuse的TVS二极管阵列可为以太网提供端口保护，主要用于抵抗以下四种威胁：雷电感应浪涌、静电放电（ESD）、电气快速瞬变（EFT）、电缆放电事件（CDE）。 在LED照明方面，Littelfuse有非常全面的解决方案。使用Littelfuse的Q6008LH1LED和Q6012LH1LED系列的三端双向可控硅元件，只需要少数器件就可以实现一个非常高效的控制LED光输出的AC电路。通过使用两个反向并联敏感门极可控硅整流器(SCR) S4X8ES1作为电压导通的触发装置，控制电路可以产生各种不同的光级输出。此外，高压的477系列保险丝更是提供了直流侧的过流保护。小型的NANO保险丝可以满足250VAC的工作条件，给LED的电源适配器提供了安全的过流保护。Littelfuse的PLED产品提供了开路保护器以及过压保护，它可与灯串中的每个LED并联，旁路发生开路故障的LED灯珠，以保持灯串的其余部分继续工作。当电路中发生过电压并导致灯串中发生过电流时，或者在电极接反时，保护器同样会作用。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} EXAR的工业UART拓展解决方案和可配置电源 EXAR串口的工业解决方案包括EXAR UART串口扩展方案、EXAR串行收发器、EXAR多协议解决方案、EXAR I/O扩展方案。EXAR可提供完整的串行通信解决方案，在工业领域的应用包括工业自动化、智能电网、销售终端（POS）等。 EXAR的UART产品系列在不断地完善，目前，其UART产品占据37%的市场份额，多达170种产品支持供电电压覆盖1.62V-5.5V， FIFO大小从1~384比特不等，产品系列涵盖USB、PCIe、PCI、I2C、SPI、VLIO 以及 8bit。在串行收发器方面，EXAR提供全面的RS-232、RS-485等系列。创新的多协议串行收发器SP338，补充了原有的串行收发器产品组合，是理想的工业或嵌入式PC与双协议串行端口。 在I/O扩展方面，XRA120x以及XRA140x系列芯片集成电平转换器，可简化多器件多操作电压时的硬件设计；SCL和SDA管脚的滤波，可减少外部的元器件数和BOM成本；1.8V时最大静态电流为1μA，可降低整体的功耗和硬件成本，其24种不同的料号可供客户选择性价比更好的方案。 根据快速变化的市场需求，EXAR还不断在数字可编程电源和模拟电源等领域进行创新。该公司的PowerXR数字电源平台，在硬件方面，其显著优势是单芯片设计，一片可代替过去数十个传统的模拟电源芯片，完整的电源管理可带来更高的系统可靠性，在全温度范围内有着更好的稳压精度，效率超过90%。在软件方面，它支持重复编程，简易的开发环境便于使用者进行开发设计，使产品快速上市。业界首款可用于手持设备的数字电源芯片XRP7724，轻载可配置工作在DPFM（数字调频模式）大大提高了轻载效率，其静态电流低至600μA，DPWM精度提升为14bit，ADC精度提升为10bit，带来更好的稳压精度和jitter表现。单通道开关频率可单独调节，使电路设计更加灵活。 在模拟电源产品方面，EXAR也有丰富的产品，121个基本型号，631个料号可供客户选择。SP766X PowerBlox 可使设计人员创建一个带有最少外部元件的快速而简单的电源系统，极大简化了下一代电气应用的电源解决方案的复杂性。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} TI InstaSPIN在马达控制中的应用 传统的有刷电机结构简单、便于控制、性能优异，但其可靠性差、噪声大、振动大、部件磨损大，运转过程中会产生火花，这限制了它在一些场合中的应用。三相简易无刷电机则更可靠，尺寸也更小，性能良好，但同样具有噪音大、振动大、会产生扭矩纹波等缺点。带传感器的三相FOC电机克服了前两种电机的缺点，它噪音小、振动小，性能更好，在动态系统中的效率更高。但这类电机成本过高，传感器的故障率高，限制了它的普及应用。TI InstaSPIN-FOC（磁场定向控制）技术，采用TI特有的FAST软件编码器算法来控制FOC电机，无需传感器，可显著缩短开发周期，全面简化系统设计。

TI InstaSPIN在马达控制中的应用
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InstaSPIN-FOC技术使设计人员（甚至那些在电机控制方面没有什么经验的人员）用数分钟的时间即可识别、调优并完全控制任何类型的三相、变速、同步或异步无传感器电机控制系统。这项新技术借助 TI 嵌入在 Piccolo 器件只读存储器 (ROM) 中的全新软件编码器（无传感器观测器）软件算法 FAST（通量、角度、速度和扭矩），让系统不再需要机械电机转子传感器，从而降低了系统成本并提高了操作性。这提供了在所有变速和负载电机应用中提高电机的效率、性能及可靠性的高质量解决方案。 基于InstaSPIN-FOC 电机控制解决方案，TI的InstaSPIN-MOTION电机控制解决方案不但可优化复杂的运动排序，而且只需调整单个参数，就可在不同工作范围内以无与伦比的高精度跟踪所需轨迹。InstaSPIN-MOTION 由 LineStream Technologies 的 SpinTAC 提供支持。SpinTAC提供对系统不同的动态速度和负载范围均提供可靠的控制，通过简单的单一参数调优取代调优困难的 PID 控制器，显著减少了设置时间。InstaSPIN-MOTION 十分适合于需要精确的速度控制和最小干扰的应用，以及要进行多状态变换或动态变化的应用。其优势包括：可靠的速度控制；对系统的实际机制进行补偿；调优简单；复杂的运动序列易于设计和执行。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} Freescale的完整工业控制系统解决方案 工业控制的趋势包括在不同平台上的软硬件重用、低功耗、向工业以太网和无线标准迁移以及具有成本效益的安全和保安等。Freescale以其40多年的网络和系统安全领导力，集成、工具和参考平台，低端到高端的全系列专用控制器平台，以及先进的电机控制算法等支持着工业控制技术的演变。 Freescale完整的工业控制系统解决方案，包括系统管理单元、人机接口单元、系统运动控制单元、安全控制单元和电机控制驱动器。针对这些工业控制系统解决方案，Freescale给用户提供一系列特色的控制器产品解决方案，从低端的8位微控制器、32位Kinetis（ARM Cotex-M4）微控制器、数字信号控制器（DSC），到高性能的基于ARM A5/M4双核的处理器和基于32位PowerArchitecture的处理器。 传统工业系统通常需要多种器件来提供图形显示和实时控制功能，而一个单独的Vybrid器件通过其非对称式多处理架构便能满足人机接口(HMI)和实时控制需求，降低了系统材料的成本和复杂性。它高度集成了节能的ARM Cortex-A5和 Cortex-M4核心，以便分别管理高级别操作系统（为满足HMI、连接和计算需求）和实时域（为执行安全可靠的实时功能）。Vybrid器件非常适合包括建筑/家庭自动化和控制在内的应用、工业自动化、销售网点系统、患者监护仪等医疗设备、包括电表和数据集中器在内的智能能源设备以及其它各种设备等。 基于QorIQ处理器，Freescale与三大工业技术公司联合研制出一个高端可编程序逻辑控制器（PLC）的参考平台。该平台将KPA公司的EtherCAT协议软件，ISaGRAF公司的PLC固件以及QNX Neutrino实时操作系统（RTOS）融为一体，借助EtherCAT协议通讯，增强控制应用程序的功能和性能。PLC参考设计基于飞思卡尔QorIQ处理器，包括单核、双核与多核等版本，集成支持通信协议，如EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、 PROFIBUS等。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载