Iðnaðarstýringarkerfi treysta áfram á staðlað hliðræn merki til að senda gögn á milli vinnslu- og stýribúnaðar. Stöðug 4 til 20mA straumlykkjumerki geta auðveldlega farið yfir þúsundir feta, en ±5 og ±10V merki eru einnig algeng í iðnaðarkerfum.
Þessi umsóknarskýrsla sýnir Maxims samþætta gagnaöflunarkerfi (DAS) lausnir. DAS lausnir Maxim spara borðpláss, orkunotkun og hönnunartíma en umbreyta venjulegum hliðstæðum iðnaðarmerkjum með lágmarks ytri íhlutum.
Inngangur
Þrátt fyrir margar útgáfur af stafrænum sviðsrútum, halda iðnaðarstýrikerfi áfram að treysta á staðlað hliðræn merki til að senda gögn á milli vinnslu- og stjórnbúnaðar. Til dæmis umbreyta ferlisendar í efnaverksmiðjum lágt-hita- og þrýstingsmerki í stöðug 4 til 20mA straumlykkjumerki sem geta auðveldlega ferðast þúsundir feta.
Speed and position sensors for machine tools and automated guided vehicles in factory automation environments generate unipolar and bipolar voltage signals, typically ranging from 0V to 5V, 0V to 10V, ±5V, or ±10V. Additionally, signals from commonly used PT100 temperature sensing elements often require no conversion and can be directly utilized within standard ranges, such as 10V or 20mA. As RTDs (Resistance Temperature Detectors) made from platinum (Pt), PT100s exhibit a resistance of 0Ω at 100°C. Their resistance exhibits a linear relationship with temperature and provides a relatively high output signal level (>1mV þegar knúið er af 100mA straumgjafa).
Stjórnunaraðgerðir innan vinnsluumhverfisins eru útfærðar með PLC (Programmable Logic Controllers), PCS (Process Control Systems), eða (nú nýlega) IPC (Industrial Personal Computers). Þar sem þessi tæki eru stafræn kerfi sem keyra ferla-hugbúnað verður að breyta öllum hliðstæðum merkjum í stafræn áður en tölvan getur lesið þau.
A/D umbreyting innan stjórnkerfa er framkvæmd af borðum eða kössum sem kallast „hliðstæða jaðartæki“. Þessir tengjast örgjörvanum í gegnum bakplansrútu kerfisins eða vettvangsrútu þegar þeir eru fjarsettir (td á vélum). Fyrir utan stafrænar rafrásir (fyrir CPU-samskipti), eru þessi jaðartæki með ýmsum nákvæmum hliðstæðum og blönduðum-merkjahlutum. Þörfin fyrir fleiri rásir á hvert borð eða smærri pakka (til uppsetningar á vél) leiðir til pláss- og orkutakmarkana, sem er aðal hönnunaráskorunin fyrir hliðræn jaðartæki. Eftirfarandi hringrás sýnir tækni við merkjameðferð og lýsir aðferð til að stafræna allt að átta rásir með því að nota eina flís.
Gagnaöflunarkerfi
Háþróaða gagnaöflunarkerfið (Mynd 1) samanstendur af multiplexer (mux) til að skipta á milli inntaksrása, merkjameðferðarrás sem veitir styrkingu og offset aðlögun fyrir mismunandi inntakssvið og hliðrænum-í-stafrænum breyti (ADC) með viðmiðunarspennu (VREF).
Mynd 1. Þessi skýringarmynd sýnir grunnþætti gagnaöflunarkerfisins.
Samþættar DAS lausnir
Með því að samþætta grunneiningarnar sem sýndar eru á mynd 1 hefur Maxim þróað röð stakra-flísgagnaöflunarkerfa sem spara borðpláss, orkunotkun og hönnunartíma. Þessar flísar þurfa lágmarks ytri íhluti (enginn í sumum tilfellum) og geta umbreytt flestum stöðluðum merkjum sem eru í notkun. Hvert tæki er með 12 bita ADC, multiplexer og ávinnings/jöfnunarleiðréttingu, með rað- eða samhliða stafrænu viðmóti til að auðvelda tengingu við flesta örgjörva.
Eftirfarandi blokkarmynd (Mynd 2) sýnir dæmigerða uppsetningu fyrir þessa röð. Aðalmunurinn liggur í stafræna hlutanum sem er tengdur við örgjörvann. Hver flís býður upp á 16 eða 5 einfaldar-hliðrænar inntaksrásir sem eru tengdar innri ADC með bilunar-varnum multiplexara. Hvaða rás sem er þolir inntaksspennu allt að<>.<>V, og bilun á hvaða rás sem er hefur ekki áhrif á viðskipti á neinni annarri rás.
Mynd 2. Aðgerðirnar sem sýndar eru á mynd 1 eru samþættar í þessa flís.
Hægt er að forrita hverja rás sjálfstætt fyrir staðlað inntakssvið (0 til 5V, 0 til 10V, ±5V eða ±10V) á meðan hún er knúin af einni 5V framboði. Önnur tæki eru með svipaða styrkingu en samþykkja mismunandi inntakssvið: einpóla eða tvískauta 2V eða 4V, eða einpóla eða tvískauta VREF eða -VREF. 100x ávinningsbreytingagetan með 10% inntaksjöfnun (frá -10V til +2V) stækkar kraftsviðið um 14 bita, sem leiðir til kerfis með<>-bita hreyfisvið.
Innri ADC er 12-bita samfelld nálgunargerð sem byggir á rafrýmdum DAC, þar sem MSB rýmd virkar einnig sem haldþétti í sýnis-/haldrásinni. Hvert tæki getur starfað með því að nota annað hvort innri oscillator eða ytri klukku.
MAX196 til MAX199 tækin nota /WR púlsa til að hefja og stöðva öflun, sem gefur tiltölulega langan tökutíma í „ytri tökuham“ án þess að hægja á umbreytingarhraða. Stutt ljósops seinkun tækisins og lítið ljósopskippi (<50ps in external clock/acquire mode) enable precise control of acquisition timing. This capability is critical for phase-sensitive applications such as power line control and AC motor control. Additionally, the chip's wideband input architecture provides up to 5MHz small-signal bandwidth, allowing undersampling techniques beyond the Nyquist frequency.
Stafrænt viðmót
Forrit sem krefjast-háhraðamælinga eru best þjónað með samhliða gagnaviðmótum (MAX196 til MAX199). Þessi tæki ná 2Ksps afköstum við 100MHz klukkuhraða, sem nægir fyrir flestar-háhraðastýringarlykkjur. Fyrir lægri-hraðaforrit spara I²C-samhæfðar viðmótsútgáfur borðpláss og einfalda samskipti milli DAS og örstýringa. Þessi tæki eru með hraðan umbreytingartíma (10μs), en raðviðmótið takmarkar afköst þeirra við 8kbps.
Til dæmis tekur MAX197 við 0V til 10V, 0V til 5V, ±5V og ±10V inntak. Uppsprettuviðnámið sem rekur þessi inntak er aðal áhyggjuefni notenda. Við sýnatöku dregur ADC straumpúls til að hlaða T/H þétta (MSB þétti fyrir rafrýmd DAC). Þess vegna þarf{10}}hraðstillandi rekstrarmagnara með nægilegum hraða til að tryggja fullnægjandi spennustillingu meðan á töku stendur. MXL1013/MXL1014 rekstrarmagnarnir standa sig vel í að ná hröðum sýnatökuhraða. Fyrir hægari rekstrarmagnara verður að lengja tökutímann.
Mismunandi inntak sem notuð eru í mörgum sjálfvirknikerfum eru tiltölulega ónæm fyrir algengum-hamstruflunum. Í flestum tilfellum dugar einföld mismunadrifmagnararás (Mynd 3) með inntaksviðnám yfir 1MΩ. (Til að fá hærra inntaksviðnám, notaðu venjulegan 3-op-amp tækjamagnara.) Úttakið sem sýnt er á mynd 3 er
Vot=R2(V+ - V-) / R1.
Fyrir mikla algenga-ham höfnun, stilltu R1=R3 og R2=R4. Hagnaður sýndar samsetningar er 0,876, sem stækkar ±10V inntakssviðið um það bil 114% til að mæla merki út fyrir svið. Þessi aðlögun dregur úr upplausn ±10V bandsins í um það bil 11,8 bita.
Mynd 3. Einfaldur mismunadrifmagnari veitir háa inntaksviðnám og eins-úttak.
20mA straumlykkja
Straumlykkjur senda lítil merki yfir langar vegalengdir í hávaðasömu umhverfi. Straumurinn er venjulega myndaður af ferlisendi, sem breytir breytum eins og hitastigi eða þrýstingi í jafnstraum á bilinu 0mA til 20mA eða 4mA til 20mA. Straumurinn rennur síðan í gegnum shunt viðnám og myndar hlutfallslegt spennufall sem auðvelt er að stafræna. Þar sem samhæfð spenna sem er tiltæk til að knýja lykkjuna-þar með talið vírviðnám-er sjaldan yfir 15V til 18V, er viðnámsgildið takmarkað við nokkur hundruð ohm (Mynd 4).
Mynd 4. Með því að sameina magnarann sem sýndur er á mynd 3 við straumlykkjumerkið sem fæst frá 220Ω shunt viðnáminu framleiðir þægilegt ein-úttak.Þessi hringrás er með sama mismunamagnara og ±10V loftræstirásin, ásamt 220Ω shunt viðnám. Þessi viðnám sýnir 4,20V spennufall við 4mA og 5,25V við 5mA. Aukning mismunadrifsmagnarans er stillt á ADC inntakinu að hámarki 4,62V. Þess vegna getur DAS forritað fyrir 0,5V inntak stafrænt þetta merki með hámarksupplausn upp á 11,8 bita.
Vegna þess að MAX198/MAX199 og MAX128 eru með minnsta inntakssviðið í þessari röð, starfa þeir með litlum shunt viðnám án þess að þurfa aðlögun á styrk. Þetta gerir þær hentugri fyrir 10mA mælingar í kerfum sem krefjast ekki annarra há-mælinga (allt að ±20V). Til að aðlaga hringrásina sem sýnd er á mynd 4 til notkunar með MAX199 skaltu stilla MAX199 fyrir 0 til 2V inntakssvið og breyta 536kΩ viðnáminu í 470kΩ. Notaðu 86Ω shunt viðnám.
Aðlögun skynjara
Hitaeining, álagsmælir og aðrir algengir skynjarar veita lágt-ólínuleg merki sem eru viðkvæm fyrir EMI. Þess vegna, áður en þessar upplýsingar eru sendar til stjórnkerfisins, línulagar 4-20mA sendir fyrst og stillir merkið. Fyrir minna mikilvægar hitastigsmælingar geta viðnámshitaskynjarar (RTD) mælt hitastig allt að 850 gráður yfir langar vegalengdir án þess að þurfa dýra merkjaskilyrði.
Vinsælasta RTD er staðlaði platínuhitaskynjarinn þekktur sem PT100, með viðnám 0Ω við 100 gráður og línulegan hitastuðul 0,38Ω/gráðu. Það sýnir einnig minni ólínulegan hitastuðul, sem gerir Ω/gráðu einkenni hans næstum línulega á þröngu sviði. Ólíkt hitaeiningum, þar sem framleiðsla spennu táknar hitamuninn á milli tveggja punkta, táknar viðnám RTD beint alger hitastig skynjarans.
Mæling er gerð með því að keyra 1mA til 2mA straum í gegnum skynjarann og mæla spennufallið yfir skautana hans. Hærri straumar koma með mæliskekkjur vegna sjálfs-hitunar sem stafar af aukinni orkudreifingu innan skynjarans. Innri 4.096V viðmiðun einfaldar myndun skynjarans örvunarstraums (mynd 5).
Mynd 5. Þessi hringrás veitir RTD skynjaranum straum og stafrænir úttakið sem myndast.
Til að koma í veg fyrir að vírviðnám hafi áhrif á mælingarnákvæmni, tengja fjórir óháðir vírar RTD við mismunamagnarann. Þar sem skynjunarvírarnir tengjast háu-viðnámsinntaki magnarans er straumur þeirra mjög lítill, sem leiðir til óverulegs spennufalls. 4096mV viðmiðunarspennan og 3,3kΩ endurgjöf viðnám stilla örvunarstrauminn á um það bil 4096mV/3,3kΩ=1.24mA. Þar af leiðandi gerir akstur bæði ADC og straumgjafa með sömu viðmiðunarspennu kleift að mæla hlutfall þar sem viðmiðunarspennurek hefur ekki áhrif á umbreytingarniðurstöðuna.
Stilltu MAX197 fyrir 0V til 5V inntakssvið og stilltu mismunastyrk magnara á 10 til að mæla viðnámsgildi allt að 400Ω, sem táknar um það bil 800 gráður. Örgjörvinn getur línuskipt skynjaramerkið með því að nota uppflettitöflu. Til að kvarða kerfið skaltu skipta um RTD fyrir tvo nákvæmni viðnám (100Ω táknar núll, 300Ω eða hærra táknar fullan mælikvarða) og geyma umreikningsniðurstöðurnar.
Frekar en að tileinka sérstökum hringrásum tilteknum inntakssviðum, aðlagar hringrásin sem sýnd er á mynd 6 ADC-inntakið til að koma til móts við hvaða merkjasvið sem lýst er fyrr. Með því að velja inntakspinnann og ADC inntakssviðið (tafla 1) er hægt að velja viðeigandi uppsetningu.
Mynd 6. Þessi alhliða inntaksrás aðlagar ADC að merkjasviðinu á hverri inntaksrás.