电源引脚上的单线接口,用于传感器信号调节器校准

校准是许多传感器(或变送器)制造过程中的关键步骤,例如压力,温度和位置传感器。校准所需的一个关键组件是传感器和校准系统之间的通信接口。该通信接口涉及传感器和校准系统中的硬件和软件。通信接口必须能够同时校准多个传感器。
 在传感器校准的背景下,减少专门用于支持校准期间通信所需的传感器引脚数量 - 以及相应的线束或电缆数量 - 是一个好处,因为它可以降低成本和传感器解决方案硬件尺寸(包括引脚和电线) 。单线通信接口(OWI)通过允许通过一条线进行与设备的通信来提供这些益处。此外,在双线发射器的情况下,电力线上的OWI提供了更多的益处。
 双线发送器无需额外的引脚,因为数据和电源通过同一线路发送。在本文中,我们将专门讨论传感器校准期间使用的通信接口。此外,我们针对双线发射器解决OWI问题,重点关注与电力线上的OWI相关的挑战,并提出克服这些挑战的解决方案。
 传感器信号调节器的校准
 校准传感器信号调节器是传感器或变送器制造过程中的关键步骤。图1显示了传感器和校准系统的框图。该框图显示传感器具有两个主要部件:1)感测元件,其将感兴趣的物理量转换为电信号; 2)传感器信号调节器,使用数学算法处理传感元件。该框图还显示了“校准系统”。校准系统安装在最终传感器生产线中,是用于校准传感器的硬件和软件的集合。在本文中,我们使用术语传感器和发射器可互换,因为它们意味着相同的终端设备。
   
 
图1:传感器和校准系统的框图
 感测元件通常具有非理想性,例如偏移,非线性和增益误差。在传感器信号调节器中实现的数学算法用于校正这些非理想性。校准传感器是确定数学算法的参数或系数的过程。在校准过程中,校准系统从传感器信号调节器收集数据并确定系数。然后校准系统将算法参数传送到传感器信号调节器。如参考文献[3]所示,校准通常是一个两步过程,根据传感器所需的最终精度,它可能非常耗时 - 特别是如果包括温度校准。
 无论传感器的最终精度如何,校准系统都必须从传感器信号调节器接收数据并将数据传输到传感器信号调节器。这些数据包括[3]:
 
  1. 后端数据
  2. 前端数据
  3. 传感器信号调理器配置和算法参数
 该校准系统将数据传输到传感器信号调节器,并从传感器信号调节器中的寄存器接收数据。根据系统的最终精度目标,在多个温度点收集后端和前端数据。例如,对于用于校准的每个温度重复步骤“a”和“b”。注意,系数和配置设置通常存储在传感器信号调节器中的非易失性存储器中,例如EEPROM。
用于校准的通信接口
 校准系统可以使用传感器信号调节器支持的通信接口与传感器信号调节器通信。一些常用的通信接口是:
 
  1. 串行外设接口(SPI)
  2. 内部集成电路(I2C)
  3. 通用异步接收器/发送器(UART)
  4. 单线接口(OWI)
 上述每个接口都为校准过程提供了自己的优点和缺点。例如,SPI需要四条线:MISO,MOSI,CSN和SCLK。图2显示了基于SPI通信接口的校准系统的框图。该图显示除VDD,GND和SIGNAL OUT引脚外,每个传感器还需要四个专用引脚进行通信。这听起来可能不是一个缺点,但从大量生产传感器信号调节器的角度来看,校准硬件需要更大,更昂贵和复杂。此外,传感器成本也会更高,因为每个传感器都需要专用引脚,仅用于校准期间的通信。
 

 
图2:多器件校准系统中的SPI通信
 I 2 C和UART接口都需要两条线路进行通信。虽然这听起来可能比SPI好,但每个仍然需要传感器在校准期间具有用于通信的专用引脚。
 因此,OWI提供了更好的校准混合信号传感调节器的替代方案,因为它只需要一条线路进行通信。此外,OWI over power line增强了这种“单线功能”,因为通过电源线进行通信,消除了双线,四个20 mA发送器中的一个引脚和线路。
 单线接口
 OWI背后的主要原则是主设备和从设备之间的通信发生在一条线路上,而I 2 C,SPI或UART接口需要两条或更多条线路进行通信。OWI上的通信是半双工双向的,时序接口通常与UART非常相似。
 在一些设备中,OWI通信通过信号引脚进行,其中数据从主设备发送和接收。由于这是一个信号引脚,因此这种器件的信号电平可以达到0 V. 在其他器件中,OWI通信通过VDD引脚进行。因此,信号电平必须大于建议的最小电源电压VDD MIN。此外,由于通信通过VDD引脚,因此OWI线必须为器件提供正常工作的电流。图3显示了使用信号引脚的OWI通信,而图4显示了使用电源引脚的OWI通信。
 

 
图3:具有OWI信号引脚的器件中的OWI通信。
 

 
图4:具有OWI over power line的设备中的OWI通信。
OWI超过电源引脚的挑战
 在电源引脚上实现OWI的主要挑战是在发送或接收数据传输时接收电源。这可能导致各种挑战。
 权力和数据
 如前所述,OWI通信通过电源引脚进行的事实意味着必须向器件提供电流。请注意,电压电平不应低于器件的最低建议工作电压。基于这些约束,功率放大器为该问题提供了可能的解决方案。然而,使用放大器意味着其他考虑因素,例如放大器稳定性。
 由于放大器驱动器件的VDD引脚,它还驱动VDD引脚去耦电容。这意味着,根据电容值和使用的放大器,您需要考虑输出放大器的稳定性。放大器的输出稳定性通过使用标准技术实现,例如使用隔离电阻或补偿电容。为了避免VDD引脚上的纹波或振荡,放大器必须在指定OWI的整个波特率范围内保持稳定。
 电压下降
 由于电源线上的OWI为器件提供电流,因此任何与VDD引脚串联的电阻或元件(如二极管)都可能产生不希望的电压降。这些组件通常用作设备的保护电路的一部分。图5显示了该保护电路的位置。
 

 
图5:通过电源线进行OWI通信时可能出现的电压降。
 这些电压降导致VDD引脚的电压低于为OWI接口指定的电压。因此,如果电压降太大,OWI通信将无法工作或设备将断电。公式1显示了器件的电压V SIG_COND,它们是这些电压降的函数。V OWI是校准系统在特定设备的指定OWI电压电平下发送的信号。

    

OWI超过电源引脚解决方案
 图6显示了通过电力线实现OWI的解决方案,克服了我们之前提到的挑战。该解决方案背后的理论是使用求和放大器来“累加”信号路径中的所有电压降。这些电压降在理想电压电平下加到基本OWI信号上。结果,即使在沿着电力线的所有可能的电压下降之后,传感器信号调节器的VDD引脚处的电压电平也变为期望的OWI电压电平。公式2显示了电压相加后器件的电压V SIG_COND
 


 
 

 
图6:解决所讨论挑战的OWI over power line实现。
 这种在电源线上实现OWI的可能解决方案允许逻辑电平在校准系统侧自我调整,只要已知沿电源线的电阻和恒定电压降。这通常是这种情况,因为这些组件是客户实施的固定保护电路的一部分。此外,如果电源线中没有恒定的电压降或电阻,则可以将这两个元件设置为0,而不会影响理想的OWI电压电平。
 在此解决方案中,我们通过电源引脚解决OWI通信的挑战:
 
  1. 功率放大器为器件提供电源,并以求和放大器配置传输数据。
  2. 将电压添加到理想的OWI电压电平可抵消电压降,从而在器件的VDD引脚上产生OWI规定的电压电平。使用传感器信号调节器的特定设计将确定需要添加到OWI信号的恒定电压和IR降。
 概要
 在本文中,我们讨论了传感器信号调节器的校准,并比较了用于此校准过程的不同通信接口。我们概述了OWI优于其他接口的优势以及OWI通信背后的主要原则。最后,我们解决了OWI通信在电力线上的挑战,并提出了克服这些挑战的解决方案。

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