為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0的數(shù)字通信德州儀器推出的產(chǎn)品介紹

“工業(yè) 4.0”一詞源于 2011 年的漢諾威工業(yè)博覽會，意指第四次工業(yè)革命。第一次工業(yè)革命發(fā)生在大約 18世紀(jì)，與生產(chǎn)過程的機(jī)械化有關(guān)。第二次工業(yè)革命是指 20世紀(jì)初的制造業(yè)電氣化。

20 世紀(jì) 80 年代期間的第三次工業(yè)革命源于個人計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和信息處理技術(shù)的進(jìn)步而推動的自動化和計(jì)算機(jī)化。

時下的數(shù)字革命正拉開第四次工業(yè)革命的帷幕，為不同行業(yè)提供了融入技術(shù)的新渠道。由此，制造業(yè)在向完全數(shù)字化邁進(jìn)的過程中，發(fā)生了迅速變化。

數(shù)字通信是網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)即工業(yè) 4.0 的基礎(chǔ)。用于監(jiān)控電機(jī)、滾動軸承和齒輪箱性能及狀態(tài)的傳感器通信，有助于優(yōu)化機(jī)器和系統(tǒng)的使用壽命，減少停機(jī)時間并提高生產(chǎn)力。

借助由互聯(lián)網(wǎng)推動的自動化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，新的商業(yè)模式現(xiàn)得以實(shí)現(xiàn)，能夠分析和處理大量數(shù)據(jù)。但是，為了充分利用工業(yè) 4.0 的優(yōu)勢，必須實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化。為此，制造商將需要最新的工業(yè)通信、控制和傳感器技術(shù)。為了滿足這些需求，Texas Instruments (TI) 已推出一系列產(chǎn)品組合，幫助制造商邁向工業(yè) 4.0。

Sitara 系列處理器

Sitara? AMIC110：該器件是一款支持多協(xié)議的可編程工業(yè)通信處理器，可為大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線通信從屬設(shè)備及部分主設(shè)備提供一套即用型解決方案。AMIC110 采用 Arm? Cortex?-A8 處理器、外設(shè)和工業(yè)接口選件（圖 1）。

圖 1：Texas Instruments 的 Sitara AMIC110 功能框圖。（圖片來源：Texas Instruments）

AMIC110 支持高級操作系統(tǒng) (HLOS)。Linux 和 TI-RTOS 可從 TI 免費(fèi)獲取，其他 RTOS 軟件由 TI 生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴提供。該微處理器是互聯(lián)驅(qū)動器的 C2000 系列微控制器的理想配套通信芯片。

Sitara AM3357：Sitara AM335x 微處理器基于 Arm Cortex-A8 處理器，支持 EtherCAT 和 PROFIBUS 等工業(yè)接口選件，并且增強(qiáng)了圖像和圖形處理功能。該器件同樣支持高級操作系統(tǒng) (HLOS)。Android 和 Linux 可從 TI 免費(fèi)獲取。

Sitara AM4379：AM437x 系列高性能處理器基于 Arm Cortex-A9 內(nèi)核。因此，此類器件是對基于較低性能 ARM 內(nèi)核的系統(tǒng)的升級換代，并提供更新外設(shè)，包括 LPDDR2 和 QSPI-NOR 等存儲器選件。

該系列處理器支持各種工業(yè)通信協(xié)議，如 EtherCAT、PROFIBUS、EnDat 等。其他增強(qiáng)功能則包括可實(shí)現(xiàn)豐富圖形用戶界面的 3D 圖形加速功能，以及用于確定性實(shí)時處理的協(xié)處理器。此外，此類器件支持高級操作系統(tǒng) (HLOS)。Linux 可從 TI 免費(fèi)獲取，其它 HLOS 軟件可從 TI 的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴處獲取。

Sitara AM5718：AM571x 處理器通過一套全集成混合處理器解決方案提供高處理性能。這些處理器還將可編程的視頻處理功能與高度集成的外設(shè)組完美融合（圖 2）。

圖 2：Texas Instruments 的 Sitara AM571x 功能框圖。（圖片來源：Texas Instruments）

可編程功能是通過具有 Neon 擴(kuò)展組件的單核 ARM Cortex-A15 RISC CPU 和 TI C66x VLIW 浮點(diǎn) DSP 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的。借助 ARM 處理器，開發(fā)人員能夠?qū)⒖刂坪瘮?shù)與在 DSP 和協(xié)處理器上編程的視覺算法分離開來，從而降低系統(tǒng)軟件的復(fù)雜性。

此外，TI 為 Arm 和 C66x DSP 提供了一系列完整的開發(fā)工具，其中包括 C 編譯器、用于簡化編程和調(diào)度的 DSP 匯編優(yōu)化器、可查看源代碼執(zhí)行情況的調(diào)試界面等。

Sitara AM571x Arm 處理器系列符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)。

Sitara AM5728：這些處理器不僅具有與 AM571x 處理器相同的功能，還具有加密加速功能。

66AK2G：66AK2G0x 系列提供基于 TI 經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證的 Keystone II (KS2) 架構(gòu)的異構(gòu)多核片上系統(tǒng) (SoC) 處理器。這些處理器旨在應(yīng)對需要集成以下功能的應(yīng)用：DSP 和 Arm 性能；用于網(wǎng)絡(luò)和加密功能的硬件加速；高速外設(shè)和存儲器接口；支持高級操作系統(tǒng) (HLOS)。

66AK2G0x 與基于 KS2 的現(xiàn)有 SoC 設(shè)備類似，可以讓 DSP 和 Arm 內(nèi)核控制系統(tǒng)中的所有存儲器和外設(shè)。此架構(gòu)有助于最大限度地提高軟件靈活性，其中以 DSP 或 Arm 為中心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以互換使用。

此外，66AK2G0x 通過在處理器核、共享存儲器、模塊中的嵌入式存儲器和外部存儲器接口中廣泛實(shí)施糾錯碼，顯著提高設(shè)備可靠性?；趯涘e誤率和通電時間的全面分析，指定 66AK2G0x 零件可滿足廣泛的工業(yè)和汽車應(yīng)用需求。

此外，TI 為 Arm 和 C66x DSP 提供了一系列完整的開發(fā)工具，其中包括 C 編譯器、用于簡化編程和調(diào)度的 DSP 匯編優(yōu)化器、可查看源代碼執(zhí)行情況的調(diào)試界面等。

超聲波感應(yīng) MSP430 微控制器

MSP430FR6047：此超聲波感應(yīng)和測量 SoC 系列是針對水表和熱量計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化的高度集成微控制器 (MCU)（圖 3）。這些 MCU 具有集成的超聲波感應(yīng)解決方案模塊，可針對多種流速提供高精度。該模塊高度集成，需要的外部元器件極少，因而有助于實(shí)現(xiàn)超低功耗計(jì)量并降低系統(tǒng)成本。

圖 3：Texas Instruments 的 MSP430FR604x 功能框圖。（圖片來源：Texas Instruments）

MSP430FR6047 MCU 采用集成式低功耗加速器模塊，實(shí)施基于 ADC 的高速信號采集以及后續(xù)經(jīng)優(yōu)化的數(shù)字信號處理，為電池供電型計(jì)量應(yīng)用提供了一款理想的超低功耗、高精度計(jì)量解決方案。

集成式以太網(wǎng)物理層 (PHY) MCU

MSP432E：SimpleLink? MSP432E401Y Arm Cortex-M4F 微控制器非常適用于需要強(qiáng)大的控制處理和連接功能且具有成本效益的應(yīng)用。

這些 MCU 集成了大量豐富的通信功能，使高度互連的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)功率和性能的實(shí)時控制。這些微控制器具有集成式通信外設(shè)以及其他高性能的模擬和數(shù)字功能，為開發(fā)從人機(jī)界面 (HMI) 到聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理控制器在內(nèi)的許多目標(biāo)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以太網(wǎng)工業(yè)接口塊

DP83822I：DP83822 是一款低功耗單端口 10/100Mbps 以太網(wǎng) PHY 收發(fā)器。它提供所有所需物理層功能以支持通過標(biāo)準(zhǔn)雙絞線電纜和連接到外部光纖收發(fā)器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。此外，DP83822 還可通過 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)無關(guān)接口 (MII)、吉比特介質(zhì)無關(guān)接口 (GMII) 或簡化型吉比特介質(zhì)無關(guān)接口 (RGMII) 靈活地連接到 MAC。

同時，DP83822 能夠憑借自身的快速下行鏈路時序和強(qiáng)制模式下的自動 MDIX 功能支持多條工業(yè)總線，并提供集成回送功能、內(nèi)置自檢和電纜診斷工具。

DP83867：該器件是一款穩(wěn)健耐用型低功耗全功能物理層收發(fā)器，它集成了 PMD 子層以支持 10BASE-Te、100BASE-TX 和 1000BASE-T 以太網(wǎng)協(xié)議。在 ESD 電路保護(hù)方面，DP83867 超過了 8kV IEC 61000-4-2（直接接觸）標(biāo)準(zhǔn)。

DP83867 可輕松實(shí)現(xiàn) 10/100/1000Mbps 以太網(wǎng) LAN，它通過外部變壓器直接連接雙絞線介質(zhì)。該器件通過 IEEE 802.3 MII、GMII 或 RGMII 標(biāo)準(zhǔn)直接與 MAC 層相連。QFP 封裝支持 MII/GMII/RGMII，而 QFN 封裝僅支持 RGMII。

帶數(shù)字隔離的 RS-485 (ISO1176T)：ISO1176T 是一款隔離式差分線路收發(fā)器，具有可為隔離變壓器提供初級電壓的集成式振蕩器輸出。ISO1176T 的接地環(huán)路已斷開，允許器件在更大的共模電壓范圍內(nèi)工作，因而適用于長傳輸線路。

隔離式 CAN 收發(fā)器 (ISO1050)：ISO1050 是一款滿足 ISO11898-2 標(biāo)準(zhǔn)的電位隔離 CAN 收發(fā)器。該器件具有通過二氧化硅絕緣片隔離的輸入和輸出緩沖器，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 5,000 VRMS (ISO1050DW) 和 2,500 VRMS (ISO1050DUB) 的電隔離能力。配合隔離式電源使用時，該器件有助于防止數(shù)據(jù)總線或其它電路中的噪聲電流進(jìn)入本地接地，以避免干擾或損壞敏感電路。

IO-Link 收發(fā)器 (TIOL111)：此收發(fā)器系列實(shí)現(xiàn)針對工業(yè)雙向點(diǎn)到點(diǎn)通信的 IO-LINK 接口（圖 4）。當(dāng)收發(fā)器通過三線接口連接到 IO-Link 主機(jī)時，主機(jī)能夠發(fā)起通信并與遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，而 TIOL111 則作為這種通信的完整物理層運(yùn)行。

圖 4：Texas Instruments 的 TIOL111-x IO-Link 收發(fā)器典型應(yīng)用圖。（圖片來源：Texas Instruments）

TIOL111 具備浪涌保護(hù)功能，能夠承受 IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高達(dá) 1.2 kV (500 ?) 的浪涌，并集成了反極性保護(hù)功能。

數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動器 (TIOS101)：TIOS101 可配置為高壓側(cè)、低壓側(cè)或推挽式驅(qū)動器。這些器件能夠承受 IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高達(dá) 1.2 kV (500 Ω) 的浪涌電壓，而且集成了反極性保護(hù)功能。

只需通過一個簡單的引腳可編程接口，便可輕松連接到控制器電路。輸出電流限制可使用外部電阻器進(jìn)行配置。

TIOS101 還提供了故障報(bào)告和針對欠壓、過流和超溫的內(nèi)部防護(hù)功能。

快速、精準(zhǔn)、安全的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

ADS124S0x：ADS124S06 和 ADS124S08 均為高精度 24 位三角積分 (ΔΣ) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，兼具低功耗特性與多種集成功能，能夠減少小型傳感器信號測量應(yīng)用中的系統(tǒng)成本以及元器件數(shù)。

這兩款 ADC 均配有可配置的數(shù)字濾波器，能夠在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中提供低延遲轉(zhuǎn)換結(jié)果和 50 Hz 或 60 Hz 噪聲抑制?？删幊淘鲆?a href="http://wenjunhu.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器 (PGA) 具備低噪聲特性，并且可提供 1 到 128 的增益，能夠?yàn)?a target="_blank">電阻橋或熱電偶應(yīng)用放大低點(diǎn)平信號。此外，這兩款器件還集成有一個低漂移 2.5 V 基準(zhǔn)電壓，減小了印刷電路板 (PCB) 面積。最后，兩個可編程激發(fā)電流源允許實(shí)現(xiàn)簡單而精確的電阻溫度檢測器 (RTD) 偏置。

ADS122U04：該器件是一款 24 位精密型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，通過靈活的輸入多路復(fù)用器 (MUX) 實(shí)現(xiàn)兩個差分輸入或四個單端輸入。ADS112U04 還具有一個集成式低噪聲可編程增益放大器 (PGA)，可提供高達(dá) 128 的增益；兩個可編程激發(fā)電流源；一個電壓基準(zhǔn)；一個振蕩器以及一個精密溫度傳感器。

該器件能夠以高達(dá)每秒 2000 次采樣 (SPS) 的數(shù)據(jù)速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換，并且能夠在單周期內(nèi)穩(wěn)定。當(dāng)以 20 SPS 運(yùn)行時，數(shù)字濾波器能夠在嘈雜工業(yè)應(yīng)用中同步 50 Hz 和 60 Hz 頻率抑制。PGA 使得 ADS122U04 非常適合用于測量小傳感器信號的應(yīng)用，例如電阻溫度檢測器 (RTD)、熱電偶、熱敏電阻和阻性橋式傳感器。

DAC8775：DAC8775 是一款全集成精密型四通道 16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，具有自適應(yīng)電源管理功能，設(shè)計(jì)用于滿足工業(yè)控制應(yīng)用的要求。自適應(yīng)電源能夠在芯片管理電路啟用后最大程度降低其功率耗散。

DAC8775 可編程為電流輸出或電壓輸出。當(dāng)編程為電流輸出時，基于連續(xù)反饋的電流輸出引腳上的電壓通過集成的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器將電流輸出驅(qū)動器的電源電壓在 4.5 V 至 32 V 之間調(diào)節(jié)。當(dāng)編程為電壓輸出時，這種電路為電壓輸出級 (±15 V) 提供可編程的電源電壓。DAC8775 還包含一個低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，利用單電源引腳產(chǎn)生數(shù)字電源 (5 V)。

DAC8740H：DAC874xH 器件是與 HART?、FOUNDATION 現(xiàn)場總線? 和 PROFIBUS PA 兼容的低功耗調(diào)制解調(diào)器，適用于工業(yè)過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用（圖 5）。

圖 5：Texas Instruments 的 DAC874xH 功能框圖。（圖片來源：Texas Instruments）

在 HART 模式下，DAC874xH 集成所有必需電路，以作為一個半雙工 HART 物理層調(diào)制解調(diào)器運(yùn)行，支持從配置或主配置，使用最少的外部濾波元器件。在 FOUNDATION 現(xiàn)場總線模式下，DAC874xH 集成所有必需電路，以作為兼容 FOUNDATION 現(xiàn)場總線的半雙工 H1 控制器和 MAU 運(yùn)行。

支持性產(chǎn)品：電源、時鐘和電路保護(hù)

LM5166 降壓轉(zhuǎn)換器：該器件是一款易于使用的緊湊型 3V 至 65V、超低 IQ 同步降壓轉(zhuǎn)換器，可在寬輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)提供高效率。它集成了高壓側(cè)和低壓側(cè)功率 MOSFET，在 3.3 V、5 V 恒定或可調(diào)輸出電壓下其輸出電流高達(dá) 500 mA。

LM5166 設(shè)計(jì)旨在簡化實(shí)施，同時優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)用的性能。脈沖頻率調(diào)制模式可確保在輕負(fù)載條件下獲得最優(yōu)效率，而恒定導(dǎo)通時間控制模式可實(shí)現(xiàn)近似恒定的工作頻率。兩種控制方案均不需要回路補(bǔ)償，同時還能夠針對較高的降壓轉(zhuǎn)換比實(shí)現(xiàn)出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)以及短 PWM 導(dǎo)通時間。

TPS7A39 LDO 穩(wěn)壓器：TPS7A39 是一款是雙路、單片、高電源抑制比 (PSRR)、正負(fù) LDO 穩(wěn)壓器，支持高達(dá) 150 mA 的拉電流和灌電流。該器件的穩(wěn)壓輸出可獨(dú)立調(diào)節(jié)和經(jīng)外部調(diào)節(jié)為對稱或非對稱電壓，因此是進(jìn)行信號調(diào)節(jié)的理想型雙路雙極性電源。

TPS7A39 的正負(fù)兩種輸出在啟動期間相互進(jìn)行比例跟蹤，從而緩解雙軌系統(tǒng)中常見的浮動狀況和其他電源定序問題。負(fù)輸出可調(diào)節(jié)至最高 0 V，從而擴(kuò)大單電源放大器的共模范圍。TPS7A39 還具有高 PSRR，消除了可能影響信號完整性的電源噪聲，例如開關(guān)噪聲。

TPS2660 電子保險絲：這些器件是緊湊型高電壓電子保險絲，具有一整套保護(hù)功能。4.2 V 至 55 V 的寬電源輸入范圍可實(shí)現(xiàn)對很多常用直流總線電壓的控制。器件可以承受高達(dá) ±60 V 的正負(fù)供電電壓并保護(hù)負(fù)載免受損害。

集成的背對背 FET 提供反向阻斷電流功能，因此 TPS2660 非常適合在電源故障和欠壓條件下要求保持輸出電壓的系統(tǒng)。該器件還具備許多可調(diào)特性，包括過流、輸出壓擺率、過壓以及欠壓閾值，可為負(fù)載、電源和器件提供保護(hù)。TPS2660x 強(qiáng)大的集成式保護(hù)控制塊以及高電壓額定值有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)。

TPS82130 降壓轉(zhuǎn)換器：該器件是一款 17V 輸入、3A 降壓轉(zhuǎn)換器。經(jīng)優(yōu)化的 TPS82130 MicroSiP? 電源模塊兼具小尺寸和高效率優(yōu)勢，集成了同步降壓轉(zhuǎn)換器和電感器，可簡化設(shè)計(jì)、減少外部元器件數(shù)量并節(jié)省 PCB 面積。這一外形扁平的緊湊型解決方案適于通過標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝設(shè)備進(jìn)行自動化裝配。

該轉(zhuǎn)換器以 2 MHz 的標(biāo)稱開關(guān)頻率在 PWM 模式下工作。為了最大限度地提升效率，該器件在輕負(fù)載電流下自動進(jìn)入省電模式。在省電模式下，該器件靜態(tài)工作電流的典型值為 20 μA。憑借 DCS-Control 拓?fù)?，TPS82130 可獲得出色的負(fù)載瞬態(tài)性能和精確的輸出電壓調(diào)節(jié)。

TVS3300 浪涌保護(hù)器件：這是一款為暴露于高瞬態(tài)電壓事件的電子電路提供保護(hù)的瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 器件。與傳統(tǒng)的 TVS 二極管不同，TVS3300 精密鉗位器可在較低的擊穿電壓下觸發(fā)，并提供調(diào)節(jié)功能，以在整個瞬態(tài)過電壓事件中保持平緩的鉗位電壓。

圖 6：此圖對比了典型 Texas Instruments 平緩鉗位器件與傳統(tǒng) TVS 對 8/20 μs 浪涌事件的電壓鉗位響應(yīng)。（圖片來源：Texas Instruments）

較低的鉗位電壓和低動態(tài)電阻組合可實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的 TVS 保護(hù)解決方案，與傳統(tǒng) TVS 二極管相比，該解決方案在浪涌事件期間能夠降低系統(tǒng)的電壓暴露，單向配置時降幅高達(dá) 30%，雙向配置時降幅高達(dá) 20%。該器件具有低鉗位電壓和平緩鉗位性能，這使得所選下游系統(tǒng)組件的最大額定電壓可比傳統(tǒng) TVS 二極管更低，從而節(jié)省系統(tǒng)成本，減少電路板面積，并提高整體性能。

REF3425 電壓基準(zhǔn)：這是一種低溫漂 (6 ppm/°C)、低功耗、高精度 CMOS 電壓基準(zhǔn)，具有 ±0.05% 初始精度、低工作電流以及小于 95 μA 的功耗。此外，該電壓基準(zhǔn)的輸出噪聲低至 5 μVP-P/V，這使得它在用于噪聲關(guān)鍵型系統(tǒng)和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時能夠保持較高的信號完整性。REF3425 采用小型 SOT-23 封裝，具有更高的規(guī)格參數(shù)并且能夠以引腳對引腳方式替代 MAX6071 和 ADR3425 器件。

HMI 顯示屏電源解決方案

TPS65150 LCD 電源：該器件是一種緊湊且小巧的電源解決方案，提供薄膜晶體管 (TFT) LCD 顯示屏所需的全部三個電壓。借助于 1.8 V 至 6 V 的輸入電壓范圍，此器件非常適合于由 2.5 V 或 3.3 V 輸入電壓軌供電的筆記本電腦，或具有 5 V 輸入電壓軌的監(jiān)視器應(yīng)用。此外，TPS65150 包含一個集成式高電流緩沖器，為 TFT 背板提供 VCOM 電壓。

總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0，制造商需要最新的工業(yè)通信、控制和傳感器技術(shù)。為滿足其需求，Texas Instruments 推出一系列產(chǎn)品組合，幫助制造商向全數(shù)字化工廠邁進(jìn)。