數(shù)字/二進(jìn)制傳感器和開(kāi)關(guān)對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)控制至關(guān)重要，廣泛用于工業(yè)控制、工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)控制和過(guò)程自動(dòng)化。所有傳感器的輸出都需要被中央處理單元檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，通常利用可編程邏輯控制器(PLC)數(shù)字輸入模塊中的兩個(gè)高功率電阻分壓器檢測(cè)傳感器輸出電壓。為隔離每路傳感器通道，需要使用獨(dú)立的光耦。根據(jù)復(fù)雜度的不同，一個(gè)系統(tǒng)常常要使用多個(gè)光耦(圖1)。

在這種傳統(tǒng)架構(gòu)中，電阻分壓器消耗的功率較大，形成電路板(PCB)“熱點(diǎn)”，要求設(shè)計(jì)支持高溫工作以及增加散熱器。熱點(diǎn)甚至?xí)档拖到y(tǒng)可靠性。此外，對(duì)于高通道數(shù)量的模塊，多光耦設(shè)計(jì)增加系統(tǒng)成本和功耗，浪費(fèi)寶貴的電路板空間。顯而易見(jiàn)，緊湊而簡(jiǎn)單的隔離數(shù)字輸入接口將有利于工業(yè)生產(chǎn)。

簡(jiǎn)化PLC的數(shù)字輸入

集成能夠滿(mǎn)足這一要求。說(shuō)出來(lái)容易做出來(lái)難！首先，增加通道輸入，擴(kuò)展系統(tǒng)容量，但仍使接口保持簡(jiǎn)單。現(xiàn)在，轉(zhuǎn)而考慮數(shù)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(jiàn)圖4)。改善檢錯(cuò)功能，使同一簡(jiǎn)單接口上的數(shù)據(jù)傳輸非常可靠。集成以上這些特性，使數(shù)字輸入功能更加完善而可靠，產(chǎn)生的熱量更少、功耗更低，節(jié)省空間，并且成本大幅降低，這就是目標(biāo)。

圖1：傳統(tǒng)工業(yè)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖，其中電阻分壓器和光耦用于監(jiān)測(cè)和檢測(cè)傳感器輸出至系統(tǒng)PLC的信號(hào)。

隔離數(shù)字輸入接口設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

以上設(shè)計(jì)目標(biāo)的解決方案就是Corona隔離子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用了數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換器/串行器和數(shù)字隔離器。Corona設(shè)計(jì)提供PLC數(shù)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(shù)據(jù)隔離——全部集成在90mm×20mm小尺寸封裝中。該設(shè)計(jì)集成八通道數(shù)字輸入電平轉(zhuǎn)換器/串行器、六通道數(shù)據(jù)隔離器和用于隔離電源設(shè)計(jì)(如果現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電源)的H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器。我們進(jìn)一步討論該設(shè)計(jì)的硬件和軟件。

硬件說(shuō)明

Corona輸入模塊如圖2所示，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3。

圖2：Corona參考設(shè)計(jì)電路板(MAXREFDES12#)

圖3：數(shù)字輸入子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)框圖。
圖中U1為MAX31911八通道電平轉(zhuǎn)換器/串行器，U3為MAX14850 6通道數(shù)據(jù)隔離器

該設(shè)計(jì)中，工業(yè)數(shù)字輸入串行器(U1)將傳感器和開(kāi)關(guān)的24V數(shù)字輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理以及串行化, 轉(zhuǎn)變?yōu)闈M(mǎn)足微控制器要求的CMOS兼容信號(hào)。該器件提供PLC數(shù)字輸入模塊的前端接口電路，與傳統(tǒng)的分立電阻分壓方案相比，輸入限流可有效減小對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(guān)系。可選擇的片上低通濾波器靈活地對(duì)傳感器輸出進(jìn)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(shù)據(jù)通過(guò)SPI端口發(fā)送一次多位CRC校驗(yàn)，確保高噪聲工業(yè)環(huán)境下的可靠通信。為實(shí)現(xiàn)更大靈活性，片上集成的5V電壓穩(wěn)壓器可為外部光耦、數(shù)字隔離器或其它外部5V電路供電。

圖4：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與Corona (MAX31911)設(shè)計(jì)方案中單路輸入通道的電流-電壓關(guān)系比較

U3(MAX14850)以Pmod兼容的尺寸規(guī)格實(shí)現(xiàn)了6通道數(shù)據(jù)隔離。Pmod規(guī)范允許3.3V和5V模塊，以及各種引腳分配。在Pmod側(cè)，供電電壓可為3.3V或5V；U1側(cè)的電壓為5V。支持的數(shù)據(jù)隔離為600VRMS。

大多數(shù)情況下，U1(MAX31911)由24V現(xiàn)場(chǎng)電源供電；如果無(wú)現(xiàn)場(chǎng)電源可供使用，U1可由控制器側(cè)供電。后一種情況中，Corona電路板上的H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器(U2，MAX13256)和變壓器為MAX31911提供使用級(jí)的隔離電源。

軟件說(shuō)明

Corona設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)Nexys3和ZedBoard 平臺(tái)驗(yàn)證。目前提供這兩種平臺(tái)的項(xiàng)目文件、器件驅(qū)動(dòng)器以及示例代碼。由于板載Pmod兼容連接器非常簡(jiǎn)單，所以Corona設(shè)計(jì)很容易用于任何微控制器或FPGA開(kāi)發(fā)電路板。

總結(jié)

本文介紹Corona (MAXREFDES12#)子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)如何為工業(yè)控制和自動(dòng)化應(yīng)用提供結(jié)構(gòu)緊湊而簡(jiǎn)單的隔離數(shù)字輸入接口。Corona設(shè)計(jì)提供八路數(shù)字輸入通道。通過(guò)單一的SPI接口簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)多片八通道數(shù)字輸入IC——無(wú)需額外片選線，很容易以8的倍數(shù)增加通道數(shù)量。只需單個(gè)SPI接口即可將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至PLC，無(wú)需隔離附加通道，大幅減少了輸入模塊中所需的隔離器數(shù)量。該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)提供基于Nexys3或ZedBoard平臺(tái)的示例軟件。