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    傳感器數據采集方案應對系統設計挑戰

    2013-09-10 09:58 來源:電子信息網 作者:蒲公英

    可編程邏輯控制器(PLC)是很多工業自動化和過程控制系統的核心,可監控和控制復雜的系統變量。基于PLC的系統采用多個傳感器和執行器,可測量和控制模擬過程變量,例如壓力、溫度和流量。PLC廣泛應用于眾多不同應用,例如工廠、煉油廠、醫療設備和航空航天系統,它們需要很高的精度,還要保持穩定的長時間工作。此外,激烈的市場競爭形勢要求必須降低成本和縮短設計時間。

    因此,工業設備和關鍵基礎設施的設計人員在滿足客戶對精度、噪聲、漂移、速度和安全的嚴格要求方面遇到了嚴峻的挑戰。本文以PLC應用為例,說明多功能、低成本的高度集成ADAS3022如何通過更換模擬前端(AFE)級,降低復雜性、解決多通道數據采集系統設計中遇到的諸多難題。這種高性能器件具有多個輸入范圍,非常適合高精度工業、儀器、電力線和醫療數據采集卡應用,可以降低成本和加快產品面市,同時占用空間很小,易于使用,在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

    PLC應用示例

    圖1顯示在工業自動化和過程控制系統中使用PLC的簡化信號鏈。PLC通常包括模擬和數字輸入/輸出(I/O)模塊、中央處理器(CPU)和電源管理電路。

    在工業應用中,模擬輸入模塊可獲取和監控惡劣環境中的遠程傳感器信號,例如存在極端溫度和濕度、振動、爆炸化學物品的環境。典型信號包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿量程范圍的單端電壓或差分電壓,或者0 mA至20 mA、4 mA至20 mA、±20 mA范圍的環路電流。當遇到具有嚴重電磁干擾(EMI)的長電纜時,通常使用電流環路,因為它們本身具有良好的抗擾度。

    模擬輸出模塊通常控制執行器,例如繼電器、電磁閥和閥門等,以形成完整自動化控制系統。它們通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿量程范圍的輸出電壓,以及4 mA至20 mA的環路電流輸出。

    典型模擬I/O模塊包括2個、4個、8個或16個通道。為滿足嚴格行業標準,這些模塊需要提供過壓、過流和EMI浪涌保護。大多數PLC包括ADC和CPU之間、CPU和DAC之間的數字隔離。高端PLC可能還有國際電工委員會(IEC)標準規定的通道間隔離。很多I/O模塊可以對每通道的對單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率單獨進行軟件編程。

    在現代PLC中,CPU自動執行多個控制任務,利用實時信息訪問進行智能決策。CPU可能包含高級軟件和算法以及Web連接,用于差錯校驗診斷和故障檢測。常用通信接口包括RS-232、RS-485、工業以太網、SPI和UART。

    分立式數據采集系統方案

    工業設計人員可以使用分立式高性能組件,為PLC或類似數據采集系統構建模擬模塊,如圖2所示。主要設計考慮因素包括輸入信號配置、整體系統速度、精度和精確性。此處所示的信號鏈采用ADG1208/ADG1209低泄漏多路復用器、AD8251快速建立可編程增益儀表放大器(PGIA)、AD8475高速漏斗放大器、AD7982差分輸入18位PulSAR ADC和ADR4550超低噪聲基準電壓源。這種解決方案提供四個不同增益范圍,但在±10 V的最大輸入信號的情況下,設計人員必然會擔心多路復用器的切換和建立時間,以及其他模擬信號調理問題。此外,在1 MSPS速率下實現真正的16位性能可能是一個嚴峻挑戰,即便在使用這些高性能器件時也是如此。

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    圖1. 典型PLC信號鏈。

    AD7982具有滿量程階躍的290 ns瞬態響應性能。因此,要在1 MSPS速率下進行轉換的同時保證指定性能,PGIA和漏斗放大器必須在710 ns時間內建立。但是,AD8251針對10 V階躍達到16位轉換精度(0.001%)的建立時間為785ns,因此該信號鏈的保證最大吞吐率將小于1 MSPS。

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    圖2. 使用分立式元件的模擬輸入信號鏈。


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    傳感器 數據采集

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