摘要：工業(yè)生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中，存在多種類型的電氣干擾，工業(yè)現(xiàn)場儀表在設(shè)計上要考慮各電氣端口的干擾處理，這里針對工業(yè)儀表的模擬信號輸入輸出端口的信號抗干擾處理推薦了隔離變送器的解決方案，針對工業(yè)儀表的通信總線接口的抗干擾處理推薦了總線隔離收發(fā)器的解決方案。
關(guān)鍵字：傳感器信號、信號隔離、隔離放大器、隔離變送器、總線隔離收發(fā)器、485、CAN
一、引言
生產(chǎn)過程監(jiān)視和控制要用到多種自動化儀表、計算機(jī)及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。過程中的信號既有微弱到毫伏級的小信號,又有數(shù)十伏的大信號，甚至還有高達(dá)數(shù)千伏、數(shù)百安培的信號要處理。從頻率上講，有直流低頻范圍的，也有高頻/脈沖尖峰。設(shè)備儀表間的互相干擾就成為系統(tǒng)調(diào)試中必須要解決的問題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設(shè)備儀表的“地”，即信號參考點的電位差，將成為重要課題。因為不同設(shè)備、儀表的信號要互傳互送，那就存在信號參考點問題。換句話說，要使信號完整傳送，理想化的情況是所有設(shè)備儀表的信號有一個共同的參考點，即所有設(shè)備儀表信號的參考點之間電位差為“零”。但是在實際環(huán)境中，這一點幾乎是不可能的，這里面除了各個設(shè)備儀表“地”之間的連線電阻產(chǎn)生的電壓降之外，尚有各種設(shè)備儀表在不同環(huán)境受到的干擾不同，以及導(dǎo)線接點經(jīng)受風(fēng)吹雨淋導(dǎo)致接點質(zhì)量下降等諸多因素，致使各個“地”之間有差別。
工業(yè)現(xiàn)場儀表在工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，既需要監(jiān)視前端傳感器傳遞的電信號，同時也需要將處理后的信號傳遞給控制中心主機(jī)，為了信號傳輸?shù)目煽颗c穩(wěn)定，必須要考慮各信號端口的隔離處理，以消除儀表接入系統(tǒng)后的地電位差問題。
二、工業(yè)現(xiàn)場儀表的一般構(gòu)成
工業(yè)現(xiàn)場儀表應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，其作用是，采樣現(xiàn)場傳感器信號，根據(jù)預(yù)設(shè)定的算法，計算采樣值獲得實際現(xiàn)場被監(jiān)視物理量的值，并將實際現(xiàn)場物理狀況通過通信總線或者4~20mA電流信號輸出到主控制中心。其一般的系統(tǒng)構(gòu)成圖如下圖所示。
圖1
從上圖可以看到，傳感器信號輸入到工業(yè)儀表，首先是EMC防護(hù)電路，因工業(yè)現(xiàn)場的電氣環(huán)境復(fù)雜，存在強(qiáng)電設(shè)備（如大功率電機(jī)）、高頻開關(guān)設(shè)備（如變頻器），這些設(shè)備在啟停動作時會產(chǎn)生較大的浪涌及尖峰脈沖，這類的干擾包含比較大的能量，通過EMC防護(hù)器件，如壓敏電阻、TVS管等器件吸收這類干擾，保護(hù)后級的電路不會因這類干擾造成損壞。傳感器信號經(jīng)EMC防護(hù)電路后輸入到輸入端的隔離放大器進(jìn)行信號的隔離、調(diào)理，信號隔離能保證儀表內(nèi)部電路與外部傳感器形成地線阻斷，消除共模干擾，從而消除地電位差引起的地線環(huán)流，一方面可以確保傳感器信號的采樣精度不受干擾的影響，一方面可以保護(hù)內(nèi)部MCU系統(tǒng)不會因大的共模電壓造成器件的損壞；信號調(diào)理，通過信號類型的轉(zhuǎn)換及信號放大將傳感器信號線性放大成滿足ADC采樣的信號類型及范圍，保證調(diào)理后的信號范圍和ADC信號輸入范圍匹配，從而保證ADC采樣精度。MCU將經(jīng)過ADC數(shù)字量化后的傳感器信號進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，經(jīng)過數(shù)字濾波，線性化運(yùn)算等一系列的運(yùn)算后獲得現(xiàn)場物理量的實際狀況，然后輸出到顯示面板，同時將獲得的現(xiàn)場物理量值按照線性比例輸出到DAC電路，DAC電路輸出電壓信號，要想形成4~20mA電流信號，還需要經(jīng)過輸出端的隔離放大器將電壓信號隔離調(diào)理成4~20mA的電流信號輸出。當(dāng)然信號輸出端也需要設(shè)計EMC防護(hù)電路。
工業(yè)智能儀表一般都帶有通信接口，目前常見的有485通信接口，CAN通信接口，可以通過通信總線直接將現(xiàn)場物理量值以數(shù)字方式上傳，同時還能通過總線接口完成如儀表參數(shù)設(shè)置、儀表運(yùn)行狀態(tài)查詢、儀表的自校準(zhǔn)等工作。485通信、CAN通信采用的都是差分信號通信，本身有較強(qiáng)的抗干擾能力，但通信接口IC能承受的共模輸入電壓范圍都有限，尤其是485的接口IC，一般在-7V~+12V之間，在較長距離的通信中，地電位差形成的共模干擾很容易造成通信接口IC的損壞，所以通信接口也必須進(jìn)行隔離設(shè)計，以提高系統(tǒng)可靠性。
三、隔離變送器的應(yīng)用
針對工業(yè)現(xiàn)場儀表的模擬信號的輸入輸出端口的隔離調(diào)理設(shè)計，廣州金升陽科技有限公司推出了專門的解決方案。
1、輸入型隔離變送器TE_N系列
輸入型隔離變送器的原理框圖如圖3所示。
圖2
該系列產(chǎn)品具有以下特點：
● 內(nèi)部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，簡化用戶電源配置設(shè)計
● 多種信號類型的隔離轉(zhuǎn)換
● 高精度等級（0.1%F.S.）
● 小體積：DIP封裝（26*9.5*12.5mm），超小的占板面積，可靠的焊接可靠性
● 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃
● 調(diào)節(jié)功能：信號滿度調(diào)節(jié)及零點調(diào)節(jié)
輸入型的隔離變送器產(chǎn)品針對模擬信號的輸入端口設(shè)計，產(chǎn)品內(nèi)部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，產(chǎn)品的供電端與信號輸出端共地，可以很方便的從MCU系統(tǒng)側(cè)取電，簡化了用戶電源配置設(shè)計；TE_N產(chǎn)品具有很高的傳輸精度，出廠精度為0.1%FS，并且?guī)в袧M度調(diào)節(jié)和零點調(diào)節(jié)引腳，當(dāng)產(chǎn)品應(yīng)用于系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的其它部分的信號線性度需要調(diào)整時，可以很方便的通過TE_N產(chǎn)品滿度調(diào)節(jié)和零點調(diào)節(jié)引腳實現(xiàn)；TE_N產(chǎn)品的小體積可以滿足工業(yè)儀表小體積的需求，并且采用雙列直插的引腳排布方式，有著良好的焊接可靠性及抗振性能；TE_N產(chǎn)品在信號輸入側(cè)還提供一組隔離電源輸出，與信號輸入端共地，當(dāng)隔離變送器無法滿足實際轉(zhuǎn)換調(diào)理需求時，可以利用隔離電源搭建簡單的信號調(diào)理電路，滿足實際調(diào)理需求；TE_N系列產(chǎn)品可以提供工業(yè)常規(guī)信號（0~20mA、4~20mA、0~5V、0~10V）的相互隔離轉(zhuǎn)換，還可以為客戶的實際量程定制相應(yīng)的輸入輸出量程范圍，還可以提供常規(guī)的24V、15V、12V、5V等多種電源范圍的產(chǎn)品。具有高精度、小體積、低功耗、低成本等特點。
圖3：輸入型隔離變送器原理框圖
2、輸出型隔離變送器TF_N系列
輸出型隔離變送器的原理框圖如圖5所示。
圖4
該系列產(chǎn)品具有以下特點：
● 內(nèi)部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，簡化用戶電源配置設(shè)計
● 多種信號類型的隔離轉(zhuǎn)換
● 小體積：DIP封裝（26*9.5*12.5mm），超小的占板面積，可靠的焊接可靠性
● 高精度等級（0.1%F.S.）
● 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃
● 調(diào)節(jié)功能：信號滿度調(diào)節(jié)及零點調(diào)節(jié)
工業(yè)儀表一般需要將采集到的物理量信號轉(zhuǎn)換成0~20mA或4~20mA 的信號輸出，達(dá)到遠(yuǎn)傳給主控制中心的目的。TF_N系列輸出型隔離變送器產(chǎn)品專門針對這種模擬信號的隔離轉(zhuǎn)換輸出的應(yīng)用而設(shè)計。其產(chǎn)品的供電端與信號輸入端共地，可以很方便的從信號輸入端取電，產(chǎn)品的輸出側(cè)就是所需要的隔離4~20mA信號，無需其它附加電路。與TE_N系列輸入型的隔離變送器的產(chǎn)品功能及特點類似，同樣也具有高精度、小體積、低功耗、低成本等特點。
圖5：輸出型隔離變送器原理框圖
四、總線隔離收發(fā)器的應(yīng)用
在工業(yè)現(xiàn)場總線中，485總線，具有設(shè)計簡單，抗干擾性強(qiáng)，成本低等優(yōu)勢；CAN總線，具有傳輸速率高，抗干擾性強(qiáng)，先進(jìn)的總線仲裁機(jī)制，優(yōu)秀的總線故障檢測及故障自鎖功能等優(yōu)勢；兩種總線都可以采用低廉的雙絞線介質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信傳輸，被工業(yè)儀表廣泛采用。針對這兩種常用總線的端口隔離設(shè)計，廣州金升陽科技有限公司也推出了集成解決方案。
1、485總線隔離收發(fā)器TD501D485H，CAN總線隔離收發(fā)器TD501DCAN
485總線隔離收發(fā)器TD501D485H其應(yīng)用接線圖如圖7所示；CAN總線隔離收發(fā)器TD501DCAN應(yīng)用接線圖如圖8所示。該系列產(chǎn)品是針對傳統(tǒng)的485總線及CAN總線端口隔離設(shè)計方案進(jìn)行了電源優(yōu)化，端口靜電防護(hù)等級優(yōu)化而推出的集成產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品具有以下功能特點：
● 內(nèi)部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，簡化用戶電源配置設(shè)計
● 集成化，小體積，低功耗
● 更高的端口靜電防護(hù)能力
● 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃
● 完整的EMC防護(hù)電路推薦
TD系列的總線隔離收發(fā)器，在電源設(shè)計上，針對實際通信的電源消耗作了優(yōu)化設(shè)計，能夠在保證通信質(zhì)量的同時，保證功耗更低；并且針對傳統(tǒng)的光耦進(jìn)行數(shù)字隔離的電路作了優(yōu)化與嚴(yán)格的設(shè)計測試，保證數(shù)字隔離傳送在整個高低溫工作范圍內(nèi)傳輸可靠，并且設(shè)計中考慮了光耦的長期工作的CTR衰減問題，保證了設(shè)計的長期可靠性；在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，保證了小體積的同時，更確保更小的占板面積，滿足工業(yè)儀表小體積的需求；另外，考慮到工業(yè)環(huán)境的電氣復(fù)雜性，在產(chǎn)品技術(shù)手冊上有完整的EMC防護(hù)電路推薦，以簡化客戶實際的端口設(shè)計。
圖7：485隔離收發(fā)器應(yīng)用接線圖
圖8：CAN隔離收發(fā)器應(yīng)用接線圖
五、小結(jié)
隨著工業(yè)儀表的智能化程度越來越高，功能越來越多，在整個產(chǎn)品的整體設(shè)計上要考慮的問題也越來越多，如，電源配置、MCU系統(tǒng)設(shè)計、顯示及人機(jī)界面設(shè)計、軟件算法、通信協(xié)議等等，端口的電氣可靠性設(shè)計往往會被設(shè)計者所忽略，以上推薦的幾種端口設(shè)計的集成化產(chǎn)品，可以大大簡化工業(yè)儀表的端口電氣可靠性設(shè)計，從而縮短工業(yè)儀表開發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性。
