數(shù)位/二進(jìn)位感測(cè)器和開關(guān)對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)控制至關(guān)重要，廣泛用于工業(yè)控制、工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)機(jī)控制和過程自動(dòng)化。由于所有感測(cè)器的輸出都需要由中央處理單元(CPU)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，我們通常利用可程式設(shè)計(jì)邏輯控制器(Programmable Logic Controller; PLC)數(shù)位輸入模組中的兩個(gè)高功率電阻分壓器檢測(cè)感測(cè)器輸出電壓。運(yùn)用獨(dú)立的光耦合器隔離每個(gè)感測(cè)器通道，再根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜度來衡量需要多少個(gè)光耦合器。如圖1所示，一般系統(tǒng)需要多個(gè)光耦合器。
圖一: 傳統(tǒng)工業(yè)感測(cè)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖，其中電阻分壓器和光耦合器用于監(jiān)測(cè)和檢測(cè)感測(cè)器輸出至系統(tǒng)PLC的信號(hào)
在這種傳統(tǒng)架構(gòu)中電阻分壓器消耗的功率較大，會(huì)形成電路板(PCB)上的「熱點(diǎn)」，故裝置在設(shè)計(jì)上必須能夠支援高溫運(yùn)作以及增加散熱器，熱點(diǎn)同時(shí)也降低了系統(tǒng)可靠性。此外，多光耦合器設(shè)計(jì)還會(huì)增加高通道數(shù)量模組的成本和功耗，也浪費(fèi)寶貴的電路板空間。因此，精密、精簡(jiǎn)的隔離數(shù)位輸入介面較有利于工業(yè)生產(chǎn)。
簡(jiǎn)化PLC的數(shù)位輸入
我們都知道整合裝置能夠達(dá)到這個(gè)要求，但是知易行難。先前的方法是在保持簡(jiǎn)單介面的前提下，增加通道輸入以擴(kuò)展系統(tǒng)容量。現(xiàn)在，我們轉(zhuǎn)而考慮數(shù)據(jù)串列化，并尋求能減少隔離用光耦合器數(shù)量的方法。如圖2所示，藉由以可配置的限流以降低功耗、改善檢錯(cuò)功能，以及增加同一介面上資料傳輸可靠性等方法，將使數(shù)位輸入功能更具有彈性也更穩(wěn)定，同時(shí)也能降低產(chǎn)生的熱能與功耗、節(jié)省空間并大幅降低生產(chǎn)成本。
圖二: 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與Corona (MAX31911)設(shè)計(jì)方案中單一輸入通道的電流-電壓關(guān)系比較
隔離數(shù)位輸入介面參考應(yīng)用設(shè)計(jì)
以上設(shè)計(jì)目標(biāo)的解決方案就是，使用數(shù)位輸入轉(zhuǎn)換器/串列器和數(shù)位隔離器的Corona隔離子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)。Corona設(shè)計(jì)提供PLC數(shù)位輸入模組的前端介面電路，能夠支援高達(dá)36V的高壓輸入，同時(shí)將電源和資料隔離，并統(tǒng)整在90mm x 20mm小尺寸封裝中。該設(shè)計(jì)整合了八通道數(shù)位輸入電壓轉(zhuǎn)換器/串列器、六通道資料隔離器，還有若現(xiàn)場(chǎng)無電源時(shí)，隔離電源設(shè)計(jì)的H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器。我們?cè)龠M(jìn)一步討論此參考設(shè)計(jì)的硬體和軟體。
硬體說明
圖3為Corona輸入模組;圖4為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖三: Corona參考設(shè)計(jì)電路板(MAXREFDES12#)
圖四: 數(shù)位輸入子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)圖。圖中U1為MAX31911八通道電壓轉(zhuǎn)換器/串列器，U3為MAX14850 6通道資料隔離器
這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，工業(yè)數(shù)位輸入串列器(U1)將感測(cè)器和開關(guān)的24V數(shù)位輸出進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理以及數(shù)據(jù)串列化，并轉(zhuǎn)換成符合微控制器需求的CMOS相容信號(hào)。此元件提供PLC數(shù)位輸入模組前端介面電路，與傳統(tǒng)的分立電阻分壓方案相比，輸入限流可有效降低現(xiàn)場(chǎng)電源的消耗。圖2為單一輸入通道內(nèi)電流與電壓關(guān)系在兩種方案中的比較。可選擇的晶片上低通濾波器讓感測(cè)器能靈活地去抖和濾波。晶片上8至1串列化能減少隔離所需的光耦合器，每8位元資料通過SPI埠就發(fā)送一次多位CRC校驗(yàn)，確保高雜訊工業(yè)環(huán)境下能維持通信穩(wěn)定運(yùn)作。為提升靈活度，片上整合的5V電壓穩(wěn)壓器可為外部光耦合器、數(shù)位隔離器或其它外部5V電路供電。
U3 (MAX14850)與Pmod?相容的尺寸規(guī)格能達(dá)到6通道資料隔離。Pmod規(guī)范適用于3.3V和5V模組以及各種引腳分配。Pmod的供電電壓可為3.3V或5V;U1側(cè)的電壓為5V。支援的資料隔離為600VRMS。
多數(shù)情況下，U1 (MAX31911)由24V現(xiàn)場(chǎng)電源供電;如果無現(xiàn)場(chǎng)電源可供使用，U1可由控制器供電。后者Corona電路板上的H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器(U2，MAX13256)和變壓器為MAX31911提供使用等級(jí)的隔離電源。
軟體說明
Corona設(shè)計(jì)經(jīng)過Nexys? 3和ZedBoard TM平臺(tái)驗(yàn)證，目前已提供這兩種平臺(tái)的專案檔案、元件驅(qū)動(dòng)器以及示范代碼。由于板載Pmod相容連接器非常簡(jiǎn)單，所以Corona設(shè)計(jì)很容易用于任何微控制器或FPGA開發(fā)電路板。
總結(jié)
本文介紹Corona (MAXREFDES12#)子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)如何為工業(yè)控制和自動(dòng)化應(yīng)用裝置提供結(jié)構(gòu)緊湊而簡(jiǎn)單的隔離數(shù)位輸入介面。Corona設(shè)計(jì)提供八個(gè)數(shù)位輸入通道。無需額外晶片選線，運(yùn)用單一的SPI介面串聯(lián)多片八進(jìn)位數(shù)位輸入IC，可輕松地以8的??倍數(shù)增加通道數(shù)量。只需單個(gè)SPI介面即可將感測(cè)器資料傳輸至PLC，無需隔離附加通道，還能大幅減少輸入模組所需的隔離器數(shù)量。該設(shè)計(jì)大幅降低了成本，占用的空間也較小，單位PCB面積上的通道密度較高。該設(shè)計(jì)提供基于Nexys 3或ZedBoard平臺(tái)的示范軟體。
高整合度、低功耗、無需光耦合器的晶片上數(shù)位串列器?？偠灾摲桨腹δ軓?qiáng)大、靈活、節(jié)省空間，可提供工業(yè)應(yīng)用極高的價(jià)值。
（轉(zhuǎn)載）
