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作者: Mulong Gao 數字/二進制傳感器和開關對信號監測和系統控制至關重要，廣泛用于工業控制、工業自動化、電機控制和過程自動化。所有傳感器的輸出都需要被中央處理單元檢測和監測。為實現這一目的，通常利用可編程邏輯控制器(PLC)數字輸入模塊中的兩個高功率電阻分壓器檢測傳感器輸出電壓。為隔離每路傳感器通道，需要使用獨立的光耦。根據復雜度的不同，一個系統常常要使用多個光耦(圖1)。 
圖1：傳統工業傳感器監測系統原理圖，其中電阻分壓器和光耦用于監測和檢測傳感器輸出至系統PLC的信號。 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)“熱點”，要求設計支持高溫工作以及增加散熱器。熱點甚至會降低系統可靠性。此外，對于高通道數量的模塊，多光耦設計增加系統成本和功耗，浪費寶貴的電路板空間。顯而易見，緊湊而簡單的隔離數字輸入接口將有利于工業生產。 簡化PLC的數字輸入 集成能夠滿足這一要求。說出來容易做出來難！首先，增加通道輸入，擴展系統容量，但仍使接口保持簡單。現在，轉而考慮數字串行化，并尋求省去隔離用光耦的途徑。使用可配置的限流以降低功耗(見圖4)。改善檢錯功能，使同一簡單接口上的數據傳輸非常可靠。集成以上這些特性，使數字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，并且成本大幅降低，這就是目標。 隔離數字輸入接口設計的實現 以上設計目標的解決方案就是Corona隔離子系統參考設計，該設計使用了數字輸入轉換器/串行器和數字隔離器。Corona設計提供PLC數字輸入模塊的前端接口電路，支持高壓輸入(最高36V)，電源和數據隔離——全部集成在90mm×20mm小尺寸封裝中。該設計集成八通道數字輸入電平轉換器/串行器、六通道數據隔離器和用于隔離電源設計(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的硬件和軟件。 硬件說明 Corona輸入模塊如圖2所示，系統框圖見圖3。
圖2：Corona參考設計電路板(MAXREFDES12#)。
圖3：數字輸入子系統參考設計框圖。圖中U1為MAX31911八通道電平轉換器/串行器，U3為MAX14850 6通道數據隔離器。 該設計中，工業數字輸入串行器(U1)將傳感器和開關的24V數字輸出進行電平轉換、信號調理以及串行化, 轉變為滿足微控制器要求的CMOS兼容信號。該器件提供PLC數字輸入模塊的前端接口電路，與傳統的分立電阻分壓方案相比，輸入限流可有效減小對現場電源的消耗。圖4所示為兩種方法中單路輸入通道的電流-電壓關系。可選擇的片上低通濾波器靈活地對傳感器輸出進行去抖和濾波。片上8至1串行化省去了隔離所需的光耦。每8位數據通過SPI端口發送一次多位CRC校驗，確保高噪聲工業環境下的可靠通信。為實現更大靈活性，片上集成的5V電壓穩壓器可為外部光耦、數字隔離器或其它外部5V電路供電。
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-電壓關系比較。 U3(MAX14850)以Pmod兼容的尺寸規格實現了6通道數據隔離。Pmod規范允許3.3V和5V模塊，以及各種引腳分配。在Pmod側，供電電壓可為3.3V或5V；U1側的電壓為5V。支持的數據隔離為600VRMS。 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。后一種情況中，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。 軟件說明 Corona設計經過Nexys3和ZedBoard 平臺驗證。目前提供這兩種平臺的項目文件、器件驅動器以及示例代碼。由于板載Pmod兼容連接器非常簡單，所以Corona設計很容易用于任何微控制器或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湊而簡單的隔離數字輸入接口。Corona設計提供八路數字輸入通道。通過單一的SPI接口簡單級聯多片八通道數字輸入IC——無需額外片選線，很容易以8的倍數增加通道數量。只需單個SPI接口即可將傳感器數據傳輸至PLC，無需隔離附加通道，大幅減少了輸入模塊中所需的隔離器數量。該設計大幅降低了成本，占用的空間較小，單位PCB面積上的通道密度較高。該設計提供基于Nexys3或ZedBoard平臺的示例軟件。 |
