HK模塊在兩線(xiàn)制以及HART隔離傳輸中的應(yīng)用

摘要：

兩線(xiàn)制信號(hào)及HART傳輸應(yīng)用中，因接地回路問(wèn)題，不同的地電勢(shì)產(chǎn)生回路電流從而引入共模干擾，產(chǎn)生4-20mA信號(hào)的傳輸誤差，或造成HART通訊的中斷等，更有甚者造成設(shè)備端口器件損壞。使用有效的電氣隔離方法，形成兩線(xiàn)制信號(hào)及HART的隔離傳輸應(yīng)用，解決上述所述問(wèn)題，提高系統(tǒng)可靠性。

信號(hào)傳輸中的接地回路問(wèn)題及地電勢(shì)差異

儀表電路中可能導(dǎo)致出現(xiàn)接地回路的原因很多。當(dāng)信號(hào)傳輸和接收裝置連接到不同的接地點(diǎn)或不同的電源時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)對(duì)地回路，這在長(zhǎng)距離電纜傳輸時(shí)很常見(jiàn)。它們也可能是由于設(shè)備的金屬外殼與地面發(fā)生了物理接觸而產(chǎn)生的。接地回路導(dǎo)致了一個(gè)不被人注意的電氣回路，從而產(chǎn)生了一個(gè)誤差源。

由于無(wú)法在信號(hào)的接收端通過(guò)簡(jiǎn)單的觀測(cè)來(lái)測(cè)定信號(hào)的精度，因此不同接地電位產(chǎn)生的對(duì)地環(huán)流將為信號(hào)回路引入無(wú)法檢測(cè)的誤差。

在沒(méi)有做信號(hào)隔離的兩線(xiàn)制信號(hào)傳輸中，存在著這些接地回路導(dǎo)致的信號(hào)誤差問(wèn)題。

在某些情況下，雷電、浪涌等信號(hào)會(huì)隨著長(zhǎng)線(xiàn)加載在信號(hào)線(xiàn)上，損壞端口上的調(diào)制或檢測(cè)器件。

在另外一種情況下，兩個(gè)器件的端口參考的地電勢(shì)不同，可能會(huì)造成端口電壓的超標(biāo)，從而損壞器件端口。

非隔離的兩線(xiàn)制信號(hào)傳輸方式

圖一的電路中，傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)MCU發(fā)送給電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器，形成4-20mA的信號(hào)輸出，電流環(huán)DAC從PLC輸出的4-20mA總線(xiàn)上取電，經(jīng)內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器輸出3.3V及2.5V，給MCU及HART調(diào)制器提供少量的電源。

圖一的這種傳輸方式，兩線(xiàn)制儀表與遠(yuǎn)端的PLC的接地電勢(shì)存在電勢(shì)差，從而引入共模干擾，這種干擾會(huì)引起4-20mA信號(hào)的傳輸誤差，也會(huì)影響HART總線(xiàn)的正常通訊；如果共模干擾過(guò)大（超過(guò)了內(nèi)部器件的共模電壓允許范圍），甚至造成兩線(xiàn)制儀表內(nèi)部的器件損壞。

隔離兩線(xiàn)制信號(hào)傳輸方式

基于上述因地電勢(shì)不同而存在的隱患，可以用數(shù)字隔離的方式將MCU與電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器進(jìn)行隔離，電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器屬浮地形式，使得兩線(xiàn)制儀表與PLC系統(tǒng)兩個(gè)地電勢(shì)之間形成高阻抗，降低地線(xiàn)之間的回路電流，形成兩個(gè)設(shè)備間的電氣隔離，從而降低了4-20mA信號(hào)的傳輸誤差，同時(shí)消除了共模干擾的隱患。

因?yàn)閮删€(xiàn)制儀表沒(méi)有額外的供電端口，其供電都是通過(guò)4-20mA環(huán)路取電，采用這種隔離方式后，HART調(diào)制器的2.5V電源仍然從電流環(huán)DAC上內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器獲得，而MCU系統(tǒng)的3.3V供電就成了一個(gè)難題。一種較好的解決方案是，在4-20mA電路中如圖二所示串接一個(gè)穩(wěn)壓二極管，再用廣州金升陽(yáng)科技有限公司的HK模塊，隔離輸出3.3V，給MCU系統(tǒng)供電。

這樣，利用金升陽(yáng)的HK模塊及數(shù)字隔離電路，即可實(shí)現(xiàn)兩線(xiàn)制儀表與PLC系統(tǒng)的電氣隔離，避免了因地電勢(shì)影響造成的系統(tǒng)測(cè)量誤差及設(shè)備損毀，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性。

可選擇的金升陽(yáng)HK模塊型號(hào)如下表：

在電路設(shè)計(jì)中，要充分考慮MCU系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。盡量選用低功耗MCU，在滿(mǎn)足采樣速率的前提下，盡量降低MCU的工作頻率，這樣可以大大降低MCU的功耗，一般情況下，兩線(xiàn)制儀表中的MCU只需3.3V 1mA功率即可。

一般情況下，HK模塊輸入端并接的二極管穩(wěn)壓值越高，HK能夠提供的輸出功率越大。為最大限度地延長(zhǎng)兩線(xiàn)制信號(hào)的傳輸距離，在滿(mǎn)足MCU所需功耗的前提下，盡量選擇穩(wěn)壓值低一些的穩(wěn)壓二極管，作為HK模塊的輸入電壓。對(duì)于列表中沒(méi)有的輸入電壓，可以向廣州金升陽(yáng)科技有限公司訂制。

總結(jié)

采用廣州金升陽(yáng)科技有限公司的HK模塊，可以實(shí)現(xiàn)兩線(xiàn)制信號(hào)的隔離傳輸，消除地電勢(shì)差異對(duì)系統(tǒng)測(cè)試造成的誤差及共模信號(hào)對(duì)端口器件可能造成的影響，為工控現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)傳輸方式提供了一種新的更好的選擇。

當(dāng)然，對(duì)于非隔離應(yīng)用的場(chǎng)合，如MCU需要稍高的工作頻率，而電流環(huán)DAC芯片無(wú)法提供足夠能量時(shí)，也可以考慮采用類(lèi)似圖二的取電電路來(lái)提供額外的能量，本文不再贅述。

廣州金升陽(yáng)科技有限公司的HK在線(xiàn)取電模塊，在2012年的專(zhuān)利電路基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步創(chuàng)新，提高了HK模塊的電源轉(zhuǎn)換效率，相信可以滿(mǎn)足兩線(xiàn)制儀表的更高的電源需求。