1、深圳稻草人自动化培训 工业 PLC 控制数字输入应用隔离数字/二进制传感器和开关对信号监测和系统控制至关重要，广泛用于工业控制、工业自动化、电机控制和过程自动化。所有传感器的输出都需要被中央处理单元检测和监测。为实现这一目的，通常利用可编程逻辑控制器(PLC)数字输入模块中的两个高功率电阻分压器检测传感器输出电压。为隔离每路传感器通道，需要使用独立的光耦。根据复杂度的不同，一个系统常常要使用多个光耦(图 1)。 在这种传统架构中，电阻分压器消耗的功率较大，形成电路板(PCB)“热点” ，要求设计支持高温工作以及增加散热器。热点甚至会降低系统可靠性。此外，对于高通道数量的模块，多光耦设计增加系统
2、成本和功耗，浪费宝贵的电路板空间。显而易见，紧凑而简单的隔离数字输入接口将有利于工业生产。 简化 PLC 的数字输入 集成能够满足这一要求。说出来容易做出来难！首先，增加通道输入，扩展系统容量，但仍使接口保持简单。现在，转而考虑数字串行化，并寻求省去隔离用光耦的途径。使用可配置的限流以降低功耗(见图 4)。改善检错功能，使同一简单接口上的数据传输非常可靠。集成以上这些特性，使数字输入功能更加完善而可靠，产生的热量更少、功耗更低，节省空间，并且成本大幅降低，这就是目标。图 1：传统工业传感器监测系统原理图，其中电阻分压器和光耦用于监测和检测传感器输出至系统 PLC的信号。隔离数字输入接口设计的实
3、现 以上设计目标的解决方案就是 Corona 隔离子系统参考设计，该设计使用了数字输入转换器/串行器和数字隔离器。 Corona 设计提供 PLC 数字输入模块的前端接口电路，支持高压输入( 最高 36V)，电源和数据隔离 全部集成在 90mm20mm 小尺寸封装中。该设计集成八通道数字输入电平转换器/串行器、六通道数据隔离器和用于隔离电源设计(如果现场无电源)的 H 桥变压器驱动器。我们进一步讨论该设计的硬件和软件。 深圳稻草人自动化培训 硬件说明 Corona 输入模块如图 2 所示，系统框图见图 3。图 2：Corona 参考设计电路板(MAXREFDES12#)图 3：数字输入子系统参
4、考设计框图。 图中 U1 为 MAX31911 八通道电平转换器/串行器，U3 为 MAX14850 6 通道数据隔离器该设计中，工业数字输入串行器(U1)将传感器和开关的 24V 数字输出进行电平转换、信号调理以及串行化, 转变为满足微控制器要求的 CMOS 兼容信号。该器件提供 PLC 数字输入模块的前端接口电路，与传统的分立电阻分压方案相比，输入限流可有效减小对现场电源的消耗。图 4 所示为两种方法中单路输入通道的电流-电压关系。可选择的片上低通滤波器灵活地对传感器输出进行去抖和滤波。片上 8 至 1 串行化省去了隔离所需的光耦。每 8 位数据通过 SPI 端口发送一次多位 CRC 校验
5、，确保高噪声工业环境下的可靠通信。为实现更大灵活性，片上集成的 5V 电压稳压器可为外部光耦、数字隔离器或其它外部 5V电路供电。深圳稻草人自动化培训 图 4：传统设计方案与 Corona (MAX31911)设计方案中单路输入通道的电流-电压关系比较U3(MAX14850)以 Pmod 兼容的尺寸规格实现了 6 通道数据隔离。Pmod 规范允许3.3V 和 5V 模块，以及各种引脚分配。在 Pmod 侧，供电电压可为 3.3V 或 5V；U1 侧的电压为 5V。支持的数据隔离为 600VRMS。 大多数情况下，U1(MAX31911)由 24V 现场电源供电；如果无现场电源可供使用，U1可由
6、控制器侧供电。后一种情况中，Corona 电路板上的 H 桥变压器驱动器(U2，MAX13256) 和变压器为 MAX31911 提供使用级的隔离电源。 软件说明 Corona 设计经过 Nexys3 和 ZedBoard 平台验证。目前提供这两种平台的项目文件、器件驱动器以及示例代码。由于板载 Pmod 兼容连接器非常简单，所以 Corona 设计很容易用于任何微控制器或 FPGA 开发电路板。 总结 本文介绍 Corona (MAXREFDES12#)子系统参考设计如何为工业控制和自动化应用提供结构紧凑而简单的隔离数字输入接口。Corona 设计提供八路数字输入通道。通过单一的SPI 接口简单级联多片八通道数字输入 IC无需额外片选线，很容易以 8 的倍数增加通道数量。只需单个 SPI 接口即可将传感器数据传输至 PLC，无需隔离附加通道，大幅减少了输入模块中所需的隔离器数量。该设计大幅降低了成本，占用的空间较小，单位 PCB面积上的通道密度较高。该设计提供基于 Nexys3 或 ZedBoard 平台的示例软件。
