從可編程邏輯控制器和工業(yè)計算機到人機界面和工業(yè)外設和驅(qū)動，自動化應用的范圍非常廣泛。 TI 技術為工業(yè)自動化系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了很多新機遇，成功滿足和解決了不斷發(fā)展的通信標準和設計難題；另外它提供的高度可靠的產(chǎn)品可達到制造商應對惡劣環(huán)境所需的嚴格要求。本內(nèi)容提供了德州儀器PLC/DCS I/O模塊的模擬數(shù)字輸入輸出解決方案

PLC/DCS I/O 模塊：模擬輸入

用于 PLC/PAC/DCS 的模擬輸入 – 系統(tǒng)方框圖

設計注意事項

I/O 模塊是用于終端設備（例如，PLC ［可編程邏輯控制器］、PAC ［可編程自動控制器］ 和 DCS ［分布式控制系統(tǒng)］）的工業(yè)控制系統(tǒng)的構建塊。模擬輸入模塊采集和測量溫度、壓力、流量、級別、振動和運動等信號。這些參數(shù)從工廠車間中的傳感器和其他現(xiàn)場器件等設備上以電流或電壓的形式傳送。電流回路的范圍通常為 4-20mA；而電壓輸入既可以是單端的也可以是差動的，范圍為 0-5V、0-10V、+/-5V 和 +/-10V。

信號鏈

測量精度通常由 ADC 分辨率和需要多達 24 位的熱電偶應用決定。Δ-Σ ADC 是一些具有內(nèi)置 PGA 和 Mux 的產(chǎn)品的不錯選擇。部分產(chǎn)品還可對非接地熱電偶進行內(nèi)置電流源和電壓偏置的比例式測量。典型的采樣速率高達 1KSPS，可測量緩慢變化的變量，如溫度、壓力、級別和流量。注塑和聚集了大量通道的系統(tǒng)等專門應用需要更高的采樣速度（高達 500KSPS）。SAR ADC 是這類應用的理想選擇。同步采樣架構用于狀態(tài)監(jiān)控、運動控制和電力自動化中所使用的模塊。

通過輸入緩沖器和 INA（儀表放大器）實現(xiàn)的低源阻抗連接至傳感器時，進行信號調(diào)節(jié)需要注意高輸入阻抗。其他考慮因素還包括較大的共模電壓范圍以及共模抑制來自電機、AC 電力線和其他源的干擾，后者在模擬輸入中注入噪聲。由于輸入可以是來自熱電偶和其他低電平傳感器的信號，因此需要低偏移電壓以及過溫條件下偏移電壓的最小漂移來保持精度。精密雙極性運算放大器用途廣泛。差動放大器可在共模范圍大于電軌時使用。最后，PGA（可編程增益放大器）可在輸入電壓范圍隨多種傳感器類型變化時使用。

處理器

除了開發(fā)平臺和軟件工具以外，我們還強烈需要可縮短上市時間的支持。從以太網(wǎng)端口到 UART，再到簡單的 SPI 端口的這些連接選項也在需求范圍之內(nèi)。以太網(wǎng)可以實現(xiàn)現(xiàn)場器件與公司企業(yè)網(wǎng)絡的集成。大多數(shù)工業(yè)控制應用需要簡單的低成本 PLC 及大量的數(shù)字 I/O 和集成功能。其中包括故障診斷、看門狗計時器、低功耗、多 SPI 端口、UART，以及 ADC 和 PWM 輸出等對 DAC 執(zhí)行類似功能的集成模擬外設。MCU（微處理器單元）是這些應用的理想選擇。對于功能要求很高且需要更高的環(huán)路速率及高級控制算法來處理多種功能域（例如邏輯、PID 控制和運動）的應用，需要性能更高的 MPU（微處理單元）。

工業(yè)應用需要支持大量的通信選項。TI 的許多處理器包含實時處理單元 （PRU），以支持符合這些通信標準的真正可編程的方法。此外，ARM 架構可提供任務關健型功能所需的性能及低功耗。

接口

有多種現(xiàn)場總線選項 - 基于串行（RS-485、DeviceNet、Profibus、CAN 等）和基于以太網(wǎng)。擴展的線纜長度和線路中斷診斷調(diào)試功能可為設計人員提供巨大的價值。接口收發(fā)器上的集成數(shù)字隔離對于縮減電路板空間非常理想。此外，可使用光耦合器或采用電容技術構建的 TI 隔離器來對 ADC 和控制器之間的接口進行數(shù)字隔離。

電源

為保護免受瞬態(tài)和接地環(huán)路的影響，應對連接到傳感器的現(xiàn)場端與控制端進行電隔離。要實現(xiàn)這一點，可按通道來操作，或者互相隔離通道組中的成員及控制端。出于性能或成本的考慮，可使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和分立組件來定制設計，也可以使用預構建的隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊。其他注意事項包括通過較小的封裝實現(xiàn)高效率和集成。選用具有較大輸入范圍的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可避免受到電源瞬態(tài)的影響。最后，使用具有較好 PSRR（電源抑制比）的 LDO 來提供精密模擬電路，將減少電源紋波并維持系統(tǒng)的準確度和分辨率。