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為工業控制應用簡化隔離PLC數位輸入

上網時間: 2013年12月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:數位輸入  工業控制  PLC  SPI  低通濾波器 

作者:Mulong Gao,Maxim Integrated資深技術專員

工業領域傳統的數位輸入架構

數位/二進制感測器和開關對於訊號監測與系統控制至關重要,可廣泛用於工業控制工業自動化馬達控制製程自動化。所有感測器的輸出都經由中央處理單元檢測與監控。為了實現這一目的,通常利用可程式邏輯控制器(PLC)數位輸入模組中的兩個高功率電阻分壓器檢測感測器輸出電壓。為了隔離每路感測器通道,必須使用獨立的光耦合器。

根據複雜度的不同,一個系統常常要使用多個光耦合器(圖1)。

傳統工業感測器監測系統原理圖,其中電阻分壓器和光耦合器用於監控與檢測感測器輸出至系統PLC的訊號。
圖1:傳統工業感測器監測系統原理圖,其中電阻分壓器和光耦合器用於監控與檢測感測器輸出至系統PLC的訊號。

在這種傳統架構中,電阻分壓器消耗的功率較大,形成電路板(PCB)‘焦點’,設計必須能支援高溫作業以及增加散熱器。焦點甚至會降低系統可靠性。此外,對於高通道數量的模組,多光耦合器設計增加系統成本與功耗,浪費寶貴的電路板空間。顯而易見地,緊密且簡單的隔離數位輸入介面將有利於工業生產。

簡化PLC的數位輸入

整合通常能夠滿足這項要求。但說來容易做起來並不簡單!首先,增加通道輸入以擴展系統容量,但仍使介面保持簡單。現在,考慮數位序列化,並尋求省去隔離用光耦合器的途徑。使用可配置的限流以降低功耗(見圖4)。改善偵錯功能,使同一簡單介面上的數據傳輸非常可靠。整合以上這些特性,使數位輸入功能更加完善而可靠,產生的熱量更少、功耗更低,節省空間,並且成本大幅降低,這就是目標。

建置隔離的數位輸入參考設計

以上設計目標的解決方案就是Corona隔離子系統參考設計,該設計使用數位輸入轉換器/串列器和數位隔離器。Corona設計提供PLC數位輸入模組的前端介面電路,支援高壓輸入(最高36V)、電源與數據隔離──全部整合在90mm×20mm小尺寸封裝中。該設計整合八通道數位輸入電平轉換器/串列器、六通道數據隔離器和用於隔離電源設計(如果現場無電源)的H橋變壓器驅動器。我們進一步討論該設計硬體和軟體。

硬體說明

Corona輸入模組如圖2所示,系統架構圖見圖3。

Corona參考設計電路板(MAXREFDES12#)。
圖2:Corona參考設計電路板(MAXREFDES12#)。

數位輸入子系統參考設計架構圖。
圖3:數位輸入子系統參考設計架構圖。圖中U1為MAX31911八通道電平轉換器/串列器,U3為6通道數據隔離器MAX14850。

在該設計中,工業數位輸入串列器(U1)將感測器和開關的24V數位輸出進行電平轉換、訊號調節與串列化,轉變為滿足微控制器要求的CMOS相容訊號。該元件提供PLC數位輸入模組的前端介面電路,與傳統的分離式電阻分壓方案相較,輸入限流能有效減少對現場電源的消耗。圖4所示為兩種方法中單路輸入通道的電流-電壓關係。可選擇的晶片低通濾波器靈活地對感測器輸出進行去抖與濾波。晶片上8-1串列化省去了隔離所需的光耦合器。每8位元數據經由SPI埠傳送多位元CRC校驗,確保高雜訊工業環境下的可靠通訊。為了實現更大的靈活性,晶片上整合的5V電壓穩壓器可為外部光耦合器、數位隔離器或其它外部5V電路供電。

傳統設計方案與Corona (MAX31911)設計方案中單路輸入通道的電流-電壓關係比較。
圖4:傳統設計方案與Corona (MAX31911)設計方案中單路輸入通道的電流-電壓關係比較。

U3(MAX14850)以Pmod相容的尺寸規格實現了6通道數據隔離。Pmod規格允許3.3V和5V模組,以及各種接腳分配。在Pmod側,供電電壓可為3.3V或5V;U1側的電壓為5V。可支援600VRMS的數據隔離。

大多數情況下,U1(MAX31911)由24V現場電源供電;如果無現場電源可供使用,U1可由控制器側供電。在後者的情況中,Corona電路板上的H橋變壓器驅動器(U2,MAX13256)和變壓器為MAX31911提供使用級的隔離電源。

軟體說明

Corona參考設計經過Nexys3和ZedBoard 平台驗證。目前提供這兩種平台的計畫檔案、元件驅動器以及範例程式碼。由於板載Pmod相容連接器非常簡單,所以Corona設計很容易用於任何微控制器或FPGA開發電路板。

總結

本文介紹Corona (MAXREFDES12#)子系統參考設計如何為工業控制和自動化應用提供結構緊密而簡單的隔離數位輸入介面。Corona設計提供八路數位輸入通道。透過單一的SPI介面簡單串聯多片八通道數位輸入IC──無需使用額外的選擇晶片產品,就能易於以8的倍數增加通道數量。只需單個SPI介面即可將感測器數據傳輸至PLC,無需隔離附加通道,大幅減少輸入模組中所需的隔離器數量。該設計大幅降低了成本,佔用的空間較小,單位PCB面積上的通道密度較高。該設計提供基於Nexys3或ZedBoard平台的示例軟體。





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