從可編程邏輯控制器和工業(yè)計(jì)算機(jī)到人機(jī)界面和工業(yè)外設(shè)和驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)化應(yīng)用的范圍非常廣泛。 TI 技術(shù)為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)人員帶來(lái)了很多新機(jī)遇，成功滿足和解決了不斷發(fā)展的通信標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)難題；另外它提供的高度可靠的產(chǎn)品可達(dá)到制造商應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境所需的嚴(yán)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(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

I/O 模塊是用于終端設(shè)備（例如，PLC ［可編程邏輯控制器］、PAC ［可編程自動(dòng)控制器］ 和 DCS ［分布式控制系統(tǒng)］）的工業(yè)控制系統(tǒng)的構(gòu)建塊。模擬輸入模塊采集和測(cè)量溫度、壓力、流量、級(jí)別、振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)等信號(hào)。這些參數(shù)從工廠車間中的傳感器和其他現(xiàn)場(chǎng)器件等設(shè)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(dòng)的，范圍為 0-5V、0-10V、+/-5V 和 +/-10V。

信號(hào)鏈

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

通過(guò)輸入緩沖器和 INA（儀表放大器）實(shí)現(xiàn)的低源阻抗連接至傳感器時(shí)，進(jìn)行信號(hào)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(lái)自電機(jī)、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(lái)自熱電偶和其他低電平傳感器的信號(hào)，因此需要低偏移電壓以及過(guò)溫條件下偏移電壓的最小漂移來(lái)保持精度。精密雙極性運(yùn)算放大器用途廣泛。差動(dòng)放大器可在共模范圍大于電軌時(shí)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(shí)使用。

處理器

除了開發(fā)平臺(tái)和軟件工具以外，我們還強(qiáng)烈需要可縮短上市時(shí)間的支持。從以太網(wǎng)端口到 UART，再到簡(jiǎn)單的 SPI 端口的這些連接選項(xiàng)也在需求范圍之內(nèi)。以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)器件與公司企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的集成。大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用需要簡(jiǎn)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(jì)時(shí)器、低功耗、多 SPI 端口、UART，以及 ADC 和 PWM 輸出等對(duì) DAC 執(zhí)行類似功能的集成模擬外設(shè)。MCU（微處理器單元）是這些應(yīng)用的理想選擇。對(duì)于功能要求很高且需要更高的環(huán)路速率及高級(jí)控制算法來(lái)處理多種功能域（例如邏輯、PID 控制和運(yùn)動(dòng)）的應(yīng)用，需要性能更高的 MPU（微處理單元）。

工業(yè)應(yīng)用需要支持大量的通信選項(xiàng)。TI 的許多處理器包含實(shí)時(shí)處理單元 （PRU），以支持符合這些通信標(biāo)準(zhǔn)的真正可編程的方法。此外，ARM 架構(gòu)可提供任務(wù)關(guān)健型功能所需的性能及低功耗。

接口

有多種現(xiàn)場(chǎng)總線選項(xiàng) - 基于串行（RS-485、DeviceNet、Profibus、CAN 等）和基于以太網(wǎng)。擴(kuò)展的線纜長(zhǎng)度和線路中斷診斷調(diào)試功能可為設(shè)計(jì)人員提供巨大的價(jià)值。接口收發(fā)器上的集成數(shù)字隔離對(duì)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(shù)構(gòu)建的 TI 隔離器來(lái)對(duì) ADC 和控制器之間的接口進(jìn)行數(shù)字隔離。

電源

為保護(hù)免受瞬態(tài)和接地環(huán)路的影響，應(yīng)對(duì)連接到傳感器的現(xiàn)場(chǎng)端與控制端進(jìn)行電隔離。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可按通道來(lái)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(lái)定制設(shè)計(jì)，也可以使用預(yù)構(gòu)建的隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊。其他注意事項(xiàng)包括通過(guò)較小的封裝實(shí)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(lái)提供精密模擬電路，將減少電源紋波并維持系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和分辨率。

PLC/DCS I/O 模塊：模擬輸出

用于 PLC/PAC/DCS I/O 模塊的模擬輸出 – 系統(tǒng)方框圖

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

I/O 模塊是用于終端設(shè)備（例如，PLC ［可編程邏輯控制器］、PAC ［可編程自動(dòng)控制器］ 和 DCS ［分布式控制系統(tǒng)］）的工業(yè)控制系統(tǒng)的構(gòu)建塊。模擬輸出模塊用于驅(qū)動(dòng)和控制傳動(dòng)器及其他機(jī)器，并構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的一部分。電流環(huán)路輸出的范圍通常為 4-20mA，而電壓輸出范圍為 0-5V、0-10V、+/-5V 和 +/-10V。

信號(hào)鏈

線性、建立時(shí)間、響應(yīng)和準(zhǔn)確度由使用的 DAC 確定。基于電阻串的 DAC 尺寸小、成本低且自身就具有單調(diào)的特性。對(duì)于更高的分辨率和要求更高線性的應(yīng)用（如，開放式環(huán)路閥門控制），R-2R DAC 是理想之選。最后，如要實(shí)現(xiàn)最快的建立時(shí)間和速度，應(yīng)使用 R-2R 乘法 DAC。選擇適當(dāng)?shù)膮⒖疾⑴湟赃m當(dāng)?shù)木彌_器可以對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。參考注意事項(xiàng)包括初始準(zhǔn)確度、溫度漂移和拉/灌電流功能。

必須根據(jù)速度、輸出電壓電平和功率選擇輸出放大器。TI 的 XTR 系列工業(yè)驅(qū)動(dòng)器是實(shí)施 4-20mA 電流環(huán)路的理想選擇。一些產(chǎn)品允許設(shè)計(jì)人員將輸出編程為電壓或電流。更新的產(chǎn)品將 DAC 和 XTR 集成起來(lái)，最大程度地縮減電路板空間并優(yōu)化功耗。

處理器

除了開發(fā)平臺(tái)和軟件工具以外，我們還強(qiáng)烈需要可縮短上市時(shí)間的支持。從以太網(wǎng)端口到 UART，再到簡(jiǎn)單的 SPI 端口的這些連接選項(xiàng)也在需求范圍之內(nèi)。以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)器件與公司企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的集成。大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用需要簡(jiǎn)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(jì)時(shí)器、低功耗、多 SPI 端口、UART，以及 ADC 和 PWM 輸出等對(duì) DAC 執(zhí)行類似功能的集成模擬外設(shè)。MCU（微處理器單元）是這些應(yīng)用的理想選擇。對(duì)于功能要求很高且需要更高的環(huán)路速率及高級(jí)控制算法來(lái)處理多種功能域（例如邏輯、PID 控制和運(yùn)動(dòng)）的應(yīng)用，需要性能更高的 MPU（微處理單元）。

工業(yè)應(yīng)用需要支持大量的通信選項(xiàng)。TI 的許多處理器包含實(shí)時(shí)處理單元 （PRU），以支持符合這些通信標(biāo)準(zhǔn)的真正可編程的方法。此外，ARM 架構(gòu)可提供任務(wù)關(guān)健型功能所需的性能及低功耗。

接口

有多種現(xiàn)場(chǎng)總線選項(xiàng) - 基于串行（RS-485、DeviceNet、Profibus、CAN 等）和基于以太網(wǎng)。擴(kuò)展的線纜長(zhǎng)度和線路中斷診斷調(diào)試功能可為設(shè)計(jì)人員提供巨大的價(jià)值。接口收發(fā)器上的集成數(shù)字隔離對(duì)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(shù)構(gòu)建的 TI 隔離器來(lái)對(duì) DAC 和控制器之間的接口進(jìn)行數(shù)字隔離。

電源

為保護(hù)免受瞬態(tài)和接地環(huán)路的影響，應(yīng)對(duì)連接到傳感器的現(xiàn)場(chǎng)端與控制端進(jìn)行電隔離。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可按通道來(lái)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(lái)定制設(shè)計(jì)，也可以使用預(yù)構(gòu)建的隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊。其他注意事項(xiàng)包括通過(guò)較小的封裝實(shí)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(lái)提供精密模擬電路，將減少電源紋波并維持系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和分辨率。

PLC/DCS I/O 模塊：數(shù)字輸入

用于 PLC/PAC/DCS 的模擬輸入 – 系統(tǒng)方框圖

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

I/O 模塊是用于終端設(shè)備（例如，PLC ［可編程邏輯控制器］、PAC ［可編程自動(dòng)控制器］ 和 DCS ［分布式控制系統(tǒng)］）的工業(yè)控制系統(tǒng)的構(gòu)建塊。數(shù)字輸入模塊采集并測(cè)量來(lái)自多種傳感器（例如：接近開關(guān)、限位開關(guān)和按鈕開關(guān)）的數(shù)字輸入信號(hào)。輸入范圍通常為 0-24V，容差高達(dá) 30V。

信號(hào)鏈

來(lái)自 PLC 數(shù)字輸入 （DI） 模塊中使用的 DC 傳感器的信號(hào)通常為高電壓，并且在進(jìn)入移位寄存器進(jìn)行串行之前，常常會(huì)通過(guò)光耦合器進(jìn)行隔離。相反，數(shù)據(jù)輸入串行器可用于串行大量數(shù)字信號(hào)，從而允許 PLC I/O 模塊中更高的通道密度。此時(shí)，隔離僅限于 SPI 接口，因?yàn)槎鄠€(gè)串行器可通過(guò)菊花鏈的形式連接。它們還具有感應(yīng)高電壓、可調(diào)電流限制和可編程反跳次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。其他集成到這些產(chǎn)品中的功能包括溫度傳感和電壓調(diào)節(jié)。

處理器

除了開發(fā)平臺(tái)和軟件工具以外，我們還強(qiáng)烈需要可縮短上市時(shí)間的支持。從以太網(wǎng)端口到 UART，再到簡(jiǎn)單的 SPI 端口的這些連接選項(xiàng)也在需求范圍之內(nèi)。以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)器件與公司企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的集成。大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用需要簡(jiǎn)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(jì)時(shí)器、低功耗、多 SPI 端口、UART，以及 ADC 和 PWM 輸出等對(duì) DAC 執(zhí)行類似功能的集成模擬外設(shè)。MCU（微處理器單元）是這些應(yīng)用的理想選擇。對(duì)于功能要求很高且需要更高的環(huán)路速率及高級(jí)控制算法來(lái)處理多種功能域（例如邏輯、PID 控制和運(yùn)動(dòng)）的應(yīng)用，需要性能更高的 MPU（微處理單元）。

工業(yè)應(yīng)用需要支持大量的通信選項(xiàng)。TI 的許多處理器包含實(shí)時(shí)處理單元 （PRU），以支持符合這些通信標(biāo)準(zhǔn)的真正可編程的方法。此外，ARM 架構(gòu)可提供任務(wù)關(guān)健型功能所需的性能及低功耗。

接口

有多種現(xiàn)場(chǎng)總線選項(xiàng) - 基于串行（RS-485、DeviceNet、Profibus、CAN 等）和基于以太網(wǎng)。擴(kuò)展的線纜長(zhǎng)度和線路中斷診斷調(diào)試功能可為設(shè)計(jì)人員提供巨大的價(jià)值。接口收發(fā)器上的集成數(shù)字隔離對(duì)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(shù)構(gòu)建的 TI 隔離器來(lái)對(duì)多輸入或單輸入串行器和控制器之間的接口進(jìn)行數(shù)字隔離。

電源

為保護(hù)免受瞬態(tài)和接地環(huán)路的影響，應(yīng)對(duì)連接到傳感器的現(xiàn)場(chǎng)端與控制端進(jìn)行電隔離。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(lái)定制設(shè)計(jì)，也可以使用預(yù)構(gòu)建的隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊。其他注意事項(xiàng)包括通過(guò)較小的封裝實(shí)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。