이글에서는 통신 루프가 해당 시스템에 전력을 공급하는 2와이어 트랜스미터와 시스템으로 가는 전력이 통신 루프와 독립된 3와이어 및 4와이어 트랜스미터로 구성되는 라인 파워드 솔루션에 대해 알아본다.

머리말

대다수 산업 자동화 및 프로세스 제어 솔루션은 다양한 프로세스나 제어 변수의 정밀 감지가 필요하다. 이 변수에는 온도와 부하, 힘, 광도, 모션, 위치, 전압 등이 있다. TI의 최신 임베디드 마이크로컨트롤러(MCU), MSP430i20xx 시리즈는 최대 4개의 통합 24bit 시그마-델타 ADC(analog-to-digital converters)와 채널당 낮은 전력 전환이 가능하다. 이 센서 출력은 24bit ADC에 앞서 차동 입력 PGA(programmable gain amplifier)를 통해 직접 감지할 수 있다.

이 PGA는 높은 임피던스 및 유니티 게인을 가능하게 하거나 최대 16개의 소프트웨어 정의 게인을 가능하게 한다. 라인 파워드 솔루션에서 산업용 애플리케이션에 흔히 쓰이는 멀티채널 ADC 솔루션은 통신 루프가 정의한 시스템 전류 쓰레스 홀드를 넘지 않고도 복수의 센서를 동시에 모니터링할 수 있다. 이것은 또한 멀티채널 배터리 구동 센싱 애플리케이션에서 배터리 수명을 늘릴 수도 있다. MSP430i20xx 제품군의 MCU는 최대 섭씨 105도의 대기 온도까지 이러한 구성을 지원한다.

산업 트랜스미터 디자인

아직도 대다수의 산업 자동화 센서 솔루션은 라인 파워드 솔루션에 의존하고 있다[1]. 사용 용이성, 장거리에서도 믿을 수 있는 데이터 전송, 잡음에 대한 낮은 취약성, 저비용 등이 이 솔루션을 견고한 산업용 솔루션에 최고의 솔루션으로 만들어주고 있다. 이 솔루션은 센서와 게이트웨이 사이의 시스템 및 통신 경로에 모두 전력을 공급한다.

이 경우 시스템은 센서 신호 출력에 반응해 루프 전류를 변조하는 전압 조절 전류 소스로 구성된다. 변조된 전류는 보통 4 mA에서 20 mA까지 운영된다. 여기에서 센서 출력의 최소 범위값은 4 mA이고 최대 범위값은 20 mA가 된다. 이 두 개의 엔드 포인트 사이의 리니어 구역은 그 센서 출력의 중간값들이다.

그림 1은 전압 조절 전류 소스의 일반적인 구성이다. 루프를 통한 전류는 R6와 R7가 정의한 전류 디바이더 회로와 R5를 통한 레퍼런스 전류의 지배를 받는다. 통신 루프가 전류값에 기반한다는 점을 감안했을 때, 해당 신호의 정밀성은 상호 연결 와이어의 전압 강하에 영향을 받지 않는다. 따라서 트랜스미터와 리시버 사이의 거리는 수 천 미터까지 가능하다[1]. 이런 경우 트랜스미터는 전류가 필요하지 않다.

전류는 그 출력 터미널에 연결된 외부 전압 소스에 의해 끌어내진다. 이것은 통신 루프가 전력을 트랜스미터 자체에 공급한다는 점에서 추가적인 이점이 된다. 최소 허용 측정값이 4 mA 쓰레스 홀드에 의해 정의된다는 점을 감안했을 때 트랜스미터 솔루션의 전체 시스템 전류는 이 차단 포인트 이하, 즉 대개 3.5 mA 이하이어야 한다. 따라서 낮은값 경보 마진을 이용할 수 있다.

전류 루프 트랜스미터는 센서와 센서 인터페이스, 마이크로컨트롤러(MCU), 전압 조절 전류 소스(또는 전류 DAC)로 구성된다. 전형적인 트랜스미터의 블록 다이어그램은 그림 2와 같다. MSP430i20xx 제품군 MCU의 경우 센서 신호가 24bit 시그마-델타 ADC의 차동 입력을 통해 직접 감지될 수 있다.

전압 조절 전류 소스의 전류 드라이버 바이어싱은 적절한 듀티 사이클 및 필터링 요건으로 PWM(pulse width modulated) 신호를 통해 달성할 수 있다. 16bit 타이머 모듈을 이용해 이론상 최대 16bit의 정밀도로 조절 PWM 신호를 만들 수 있다[2]. 그런 다음 출력에서 DC 전압 소스만을 허용하도록 설계된 로우패스 필터를 통해 여러 가지 듀티사이클의 이 출력 신호를 루팅할 수 있다. 이 필터는 차단 주파수가 PWM 주파수보다 낮도록 설계되어 전압 출력의 단조성을 확보할 수 있다.

전류 루프 솔루션

앞서 언급했듯이 트랜스미터는 2와이어로 구현된 통신 루프를 통해 구동될 수도 있고 4 ~ 20 mA 전류 루프와 직접 연동되지 않아 3와이어나 4와이어 솔루션으로 분류되는 별도의 파워드 라인을 통해 구동될 수도 있다. 어느 쪽이든 LDO(low-dropout) 레귤레이터는 해당 전류 루프 공급 전압을 감압시켜 트랜스미터에 전력을 공급한다. 그림 3은 2와이어와 3와이어 솔루션의 모습이다. 2와이어 솔루션에서는 전류 쓰레스 홀드를 3.5 mA 밑으로 유지해야 최소한의 전송 측정값 4 mA를 로우 레벨 경보 마진과 함께 달성할 수 있다.

센서 인터페이스

수많은 고급 산업용 시장은 고성능 획득 시스템 및 멀티채널을 이용해 정밀 산업 센서의 정보를 실시간으로 관리하고 있다. 그 기본 사례에는 무정전 전원 공급 장치, 산업 파워 미터/모니터, 진동 및 파형 분석, 계측 제어 시스템, 데이터 획득 시스템 등이 있다. 이들은 온도, 압력, 광도, 유체흐름, 힘과 같은 실제 파라미터들을 측정한다.

24bit 시그마-델타 ADC에 직접 연결된 온보드 PGA의 차동 입력은 센서 신호를 직접 고정밀로 감지할 수 있다. 또한 이 컨버터들은 이차 시그마-델타 변조기와 디지털 데시메이션 필터에 기반하고 있다. 이 데시메이션 필터는 SINC3 comb 타입의 필터로 오버샘플링 비율을 최대 256까지 선택할 수 있다[2].

MSP430i20xx MCU에는 최대 4개의 독립 24bit 시그마-델타 ADC가 있다. 이를 통해 최대 4개의 센서 인터페이스로 복수의 산업 자동화나 프로세스 파라미터를 동시에 샘플링할 수 있다. 채널 각각은 변환 중에 평균 200 μA 만을 소비한다[3]. 이에 비해 다른 솔루션은 보통 채널당 0.5 mA ~ 1.0 mA이다. MSP430i20xx MCU의 이렇게 낮은 채널당 전류 흐름은 2와이어 전류 루프 아키텍처의 엄격한 쓰레스 홀드 요건에서도 동시 센서 샘플링을 가능하게 해준다.

표 1은 MSP430i20xx 제품군 MCU에서 4채널 24bit SD24 모듈의 AC와 DC 변환 해상도를 비교한 것이다. 그림에서 보듯이 MSP430i20xx SD24의 DC 성능은 대다수 PGA 게인 설정에서 16 유효 bit를 넘는다. 이 수치는 4 ~ 20 mA 전류 루프 솔루션의 0.5 μA 정밀도에 충분한 수치이다. 추가 테스트 데이터는 그림 4에 나와 있다.

그림 4과 표 1의 DC 분석 데이터는 SD24의 차동 입력을 쇼트하는 표준 방식과 대량 데이터의 표준편차를 찾는 방식으로 얻은 것이다. 더 명확하게 말하자면 RAM 블록에 24bit 값들로 이루어진 256 샘플들을 저장하도록 코드 예제를 쓴 후, TI의 Code Composer Studio™ IDE를 통해 텍스트 파일로 다운로드시켰다.

AC 데이터의 ENOB을 계산하기 위해 SINAD를 넣은 간단한 공식을 사용했다. 이 공식은 ENOB=(SINAD-1.76 dB)/6.02 dB이다. DC 데이터의 경우에는 이 데이터의 표준편차를 취했다. 여기에서 ENOB를 ENOB=N-log2(σ)로 계산할 수 있다. 이 공식에서 N은 컨버터가 제공하는 비트의 수이고, σ은 이 데이터의 표준편차이다[4].

결론

MSP430i20xx 제품군 MCU와 최대 4개의 24bit 시그마-델타 ADC는 고정밀 산업 센싱 애플리케이션에 적합하다. 채널당 낮은 ADC 전력효율은 2와이어 산업 전류 루프 솔루션이 정의한 전류 쓰레스 홀드 레벨을 넘지 않고도 복수의 고정밀 센서 출력을 동시에 샘플링할 수 있다. 또한 이것은 대다수 멀티 센서 배터리 구동 애플리케이션에도 적합하다.