利用AD5755節(jié)省多通道PLC的空間、成本和功耗

     可編程邏輯控制器(PLC)使用邏輯、時序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)算法等快速、確定性的功能來控制機(jī)器和過程。PLC使用 模擬和數(shù)字信號與終端節(jié)點通信，例如讀取傳感器和控制執(zhí)行 器。典型的通信方法包括電流/電壓環(huán)路、Fieldbus1和工業(yè)以太網(wǎng)2協(xié)議

　　隨著工業(yè)遠(yuǎn)程應(yīng)用領(lǐng)域傳感器和控制節(jié)點數(shù)的不斷增加，控制器中I/O模塊節(jié)點數(shù)也相應(yīng)增加，一些分布式控制系統(tǒng)(DCS) 能夠處理成千上萬的節(jié)點。如此密集的節(jié)點使溫度相關(guān)的挑戰(zhàn)難度越來越大，尤其是對于4mA至20mA環(huán)路通信標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。

　　對系統(tǒng)設(shè)計人員而言，最大且最密切相關(guān)的挑戰(zhàn)是提高效率并降低功耗，因為現(xiàn)有系統(tǒng)的低效率導(dǎo)致電能浪費(fèi)，運(yùn)營成本增加。本文將說明設(shè)計更高效率系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，并介紹一款多功能、4通道、16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) AD5755，它作為一種集成度更高的解決方案有助于解決這些問題。

　　系統(tǒng)

　　典型工業(yè)控制系統(tǒng)的通信分層情況如圖1所示。直到最近，分布式輸入/輸出（遠(yuǎn)程I/O和PLC）通常仍然使用Modbus3、 PROFIBUS4（過程現(xiàn)場總線）或Fieldbus等開放或?qū)Ｓ袇f(xié)議進(jìn)行連接。如今，業(yè)界對使用PROFINET5的興趣日漸增強(qiáng)，它是 一種設(shè)計用于在以太網(wǎng)設(shè)備之間快速交換數(shù)據(jù)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

圖 1. 控制系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)

　　PROFINET的優(yōu)勢包括：

　　●速度更快，從RS-232的9.6 kbps提高到1 Gbps。

　　●改進(jìn)的整體性能。

　　●距離更長。

　　●能夠使用標(biāo)準(zhǔn)接入點、路由器、交換機(jī)、集線器、電 纜和光纖，這比等效串行端口設(shè)備便宜得多。

　　一條鏈路可以有兩個以上的節(jié)點。這對于RS-485是可行的，但對于RS-232則不可行。

　　在"現(xiàn)場"級，用于將工業(yè)驅(qū)動器、電機(jī)、執(zhí)行器、控制器與PLC/DCS I/O系統(tǒng)互連的現(xiàn)場總線協(xié)議為數(shù)眾多，包括 DeviceNet?、CAN 6、InterBus?7和上述PROFIBUS、Fieldbus。

　　輸入輸出(I/O)控制器連接工廠或過程環(huán)境中的傳感器和控制執(zhí)行器，并通過上述模擬和數(shù)字方式與多個終端節(jié)點通信。本身安全的系統(tǒng)通過4mA至20mA電流環(huán)路進(jìn)行連接，一些系統(tǒng)則使用隔離技術(shù)?？刂铺幚砥魍ǔ?位至32位處理器，性能最高可達(dá)100 DMIPS（Dhrystone 百萬條指令/秒）。工廠自動化設(shè)備結(jié)實耐用，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作而不需要風(fēng)扇。

　　圖2顯示了幾個8通道模擬I/O模塊的例子。由于其尺寸小，因此功耗有限，有些甚至不到5W。

圖 2. I/O 模塊

　　模擬4mA至20mA電流環(huán)路常用于工業(yè)過程控制的信號傳輸，4mA代表范圍的低端，20mA代表范圍的高端。電流環(huán)路的主 要優(yōu)勢在于信號精度不受互連線路的壓降影響，而且環(huán)路可以提供最高4mA電流為器件供電。即使線路電阻很大，電流環(huán) 路變送器也會在其電壓能力范圍內(nèi)維持適當(dāng)?shù)碾娏?。[!--empirenews.page--]

　　通過4mA所代表的"活動—零"狀態(tài)，接收儀表可以檢測環(huán)路的一些故障（例如：0mA表示開環(huán)，3mA表示傳感器發(fā)生故障），雙線變送器設(shè)備也能通過環(huán)路電流供電。此類儀表用于測量壓力、溫度、流量、pH值和其它過程變量，以及控制閥門定位器或其它輸出執(zhí)行器。模擬電流環(huán)路中的電流可以在環(huán)路中的任一點，通過一個串聯(lián)精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓輸入。儀表的輸入端可能會將電流環(huán)路的一端連接到機(jī)殼（大地），因 此當(dāng)串聯(lián)連接多個儀表時，可能需要模擬隔離器。

　　功耗考慮

　　在圖3所示的系統(tǒng)中，一個通道配置為4mA至20mA通信（本例中為從DAC驅(qū)動一個執(zhí)行器負(fù)載）。執(zhí)行器的端接電阻決定環(huán)路所需的最大電源電壓。例如，100電阻至少需要2 V電壓才能提供20 mA電流。如今的系統(tǒng)必須能夠驅(qū)動最高達(dá)（有時甚至超過）1k的負(fù)載，這是很常見的要求。對于這一負(fù)載阻抗和20 mA的滿量程電流，電源需要提供至少20 V電壓。所產(chǎn)生的功率為：

P = V × I = 20 V × 0.02 A = 0.4 W.

　　如果負(fù)載阻抗變?yōu)?00 ，使用同一電源（有效條件）時，即使只需要 0.04 W功率，功耗仍將為0.4 W。這種情況下，系統(tǒng)的效率損失為90%，360mW功率遭到浪費(fèi)。

圖 3. 當(dāng)滿量程輸出遠(yuǎn)低于電源電壓時，功率被浪費(fèi)

　　對于一個8通道模塊，20V電源下的總功耗將為3.2 W，其中多達(dá)2.88 W的功率遭到浪費(fèi)（如果所有負(fù)載均為100 ）。這種情況下，自熱效應(yīng)和功耗預(yù)算的提高開始演變成問題。模塊內(nèi)的溫度升高可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增大，各個器件的漂移特性需要納入系統(tǒng)整體的誤差預(yù)算中加以考慮。

　　設(shè)計人員會考慮各種辦法來解決這些問題：

　　●增大模塊尺寸以支持更多功耗，但成本會增加，因而 這種解決方案的競爭力不強(qiáng)。

　　●使用散熱和/或風(fēng)扇控制，這是一種昂貴的解決方案，同時會增大空間。事實上，在一些安全關(guān)鍵應(yīng)用中，不允許使用這種溫度控制設(shè)備。

　　●減小最大負(fù)載阻抗，以便限制電路的整體功耗。在一些應(yīng)用中，這會限制性能，導(dǎo)致系統(tǒng)的市場競爭力下降。

　　無論如何，在更小的空間中提供更多的通道這一趨勢會給許多系統(tǒng)設(shè)計人員帶來散熱和功耗方面的困擾。

　　一種有助于解決此問題的方法是從5V電源入手。監(jiān)控輸出負(fù)載電壓，然后根據(jù)需要有效升壓并調(diào)節(jié)輸出電壓。圖4顯示5V電源和一款高效率DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器利用反饋控制提供適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷?，使片?nèi)功耗最小。

圖 4.動態(tài)電源控制原理

　　AD5755系列4通道、16位、串行輸入、電壓和電流輸出DAC能夠提供這種閉環(huán)動態(tài)電源能力（見附錄—圖A）。它的每個 通道都能以16位分辨率提供電流或電壓，輸出端由動態(tài)電源控制下的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電，因此該器件相當(dāng)于在一個非常緊湊的9mm × 9mm × 0.8mm封裝中提供4個低功耗節(jié)點。[!--empirenews.page--]

　　圖 5的簡化電路顯示了使用感性升壓電路的動態(tài)電源控制工作原理。每個通道都能提供30V以上的升壓輸出電壓。動態(tài)電源控制機(jī)制利用反饋調(diào)節(jié)輸出電壓，然后經(jīng)過電阻分壓器分壓后與內(nèi)部誤差放大器中的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個誤差電流。開關(guān)周期開始時，MOSFET開關(guān)接通，電感電流緩升，然后測量轉(zhuǎn)換為電壓的MOSFET電流。當(dāng)電流檢測電壓大于誤差電壓時，MOSFET斷開，電感電流緩降，直到內(nèi)部時鐘啟動下一個開關(guān)周期。在電流模式下調(diào)節(jié)輸出電源電壓采用類似方案，此時使用的是反饋誤差電流。

圖 5. 具有電源控制功能的升壓電路

　　用戶可以切換各通道的DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)信號的頻率和相位，以實現(xiàn)電路和器件的優(yōu)化。
　　對輸出驅(qū)動器實行動態(tài)電源控制的目的是使封裝功耗最小。典型IC的內(nèi)部結(jié)溫 (TJMAX) 最高可達(dá)125°C。假設(shè)系統(tǒng)的環(huán)境溫度TA, 為85°C。LFCSP封裝的熱阻, θJA, 典型值為 28°C/W。容許的片內(nèi)功耗可以通過下式計算：
　　不采用動態(tài)電源控制時，假設(shè)使用24V電源，則每個通道的最差情況功耗可以通過下式計算：

功耗  =電源電壓 × 最大電流

= 24 V × 20 mA

= 0.48 W

　　在同樣的條件下，4個通道的功耗將接近2W，這會給模塊和半導(dǎo)體電路帶來問題。啟用動態(tài)電源特性時，AD5755調(diào)節(jié)電源，使片內(nèi)功耗降至最低。圖6顯示了啟用和禁用動態(tài)電源（固定電源）兩種情況下每個通道的功耗對比。

圖 6. 啟用和禁用動態(tài)電源控制兩種情況下的功耗對比

　　啟用動態(tài)電源功能時，在24mA輸出電流下片內(nèi)功耗約為50mW，而無調(diào)節(jié)時的片內(nèi)功耗則為400mW。這種控制片內(nèi)功耗的能力非常有用，系統(tǒng)設(shè)計人員在提高系統(tǒng)通道數(shù)的同時可以使模塊功耗降至最低，從而不需要考慮繁瑣而昂貴的方法來 控制系統(tǒng)溫度。

　　故障狀況下的系統(tǒng)差錯校驗與診斷

　　對于工業(yè)應(yīng)用，必須能夠監(jiān)控并報告系統(tǒng)級故障，在故障狀況下?lián)碛斜M可能多的系統(tǒng)控制權(quán)至關(guān)重要。AD5755包括許多片內(nèi)診斷特性，能夠為用戶提供系統(tǒng)級差錯校驗功能。

　　發(fā)生故障時，一個重要考慮是控制DAC的MCU/DSP會如何。 由于不能控制輸出，用戶將完全失去對系統(tǒng)的控制。AD5755有一個看門狗定時器（超時可編程設(shè)定），如果它在超時期限內(nèi)沒有收到SPI接口傳來的命令，就會設(shè)置警告標(biāo)志（高電平有效）。需要時，此ALERT引腳可以直接連到清零引腳（也是高電平有效），以便將輸出設(shè)置為已知的安全狀態(tài)（圖 7）。 AD5755的每個通道都有一個16位可編程清零碼寄存器，用戶可以靈活地將輸出清零為任意碼。

圖 7. 看門狗定時器設(shè)置控制信號丟失標(biāo)志并使DAC返回到清零設(shè)置

　　在高噪聲工業(yè)環(huán)境中，即使MCU正常工作，通信信號也可能遭到破壞。為了應(yīng)對這種可能性，AD5755具有可選的分組差錯校驗(PEC)功能，它實施一種CRC8多項式例程。該功能可以通過軟件使能或禁用，確保輸出不會錯誤地更新。

　　輸出端接線錯誤常會導(dǎo)致連接開路或短路，有可能會造成系統(tǒng)損壞。（即使沒有發(fā)生損壞，問題也往往難以診斷。AD5755具有開路和短路檢測功能，可以即時設(shè)置故障標(biāo)志，提醒技術(shù)人員處理相關(guān)問題。）此外，當(dāng)發(fā)生短路時，短路保護(hù)功能可以限制輸出電流。所有故障都可以通過SPI接口或硬件故障引腳傳達(dá)，以便用戶即時采取處理措施。

　　靈活的輸出范圍編程功能

　　為了處理所需的各種電壓和電流，AD5755的各通道都可提供許多可編程范圍，包括：4 mA至20 mA、0 mA至24 mA、0 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V、±10 V和±12 V。 用戶也可以對各通道的各種范圍的增益和失調(diào)進(jìn)行數(shù)字化編 程。這些增益和失調(diào)寄存器具有16位分辨率。例如，為了設(shè)置0V至10.5V輸出范圍（如圖8所示），首先選擇0V至12V范圍，然后編程設(shè)置增益碼，將范圍調(diào)整到10.5 V。完成增益調(diào)整后，輸出范圍即為0V至10.5V，并具有16位分辨率。失調(diào)的編程設(shè)置方式與此相似。

圖 8.任意范圍縮放

　　通過4mA至20mA電流環(huán)路傳輸附加信息

　　純4mA至20mA電流環(huán)路的缺點是只能單向傳輸單個過程變量，這對于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)是個限制。可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(HART)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展為4mA至20mA通信線路開啟了新的可能。

　　HART提供數(shù)字雙向通信機(jī)制，兼容4mA至20mA電流環(huán)路。 在4mA至20mA模擬電流信號之上疊加一個1mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號。基于BELL 202通信標(biāo)準(zhǔn)，所用的兩個頻率為1200 Hz（邏輯1）和2200 Hz（邏輯0），如圖 9所示。

圖 9. 疊加于不斷增大的環(huán)路電流之上的 HART 信號[!--empirenews.page--]

　　AD5755可以配置為僅利用兩個外部器件來傳輸HART信號。HART調(diào)制解調(diào)器的輸出經(jīng)過衰減后，交流耦合至AD5755的CHART引腳；這導(dǎo)致調(diào)制解調(diào)器輸出在4mA至20mA模擬電流上進(jìn)行調(diào)制，而不會影響該電流的"直流"電平。圖10中的電路顯示AD5755如何與HAR調(diào)制解調(diào)器接口以實現(xiàn)這種雙向通信形式。

圖 10. AD5755用于HART通信

　　HART規(guī)范要求模擬電流的最大變化速率不得干擾HART通信。很顯然，電流輸出的步進(jìn)變化可能會中斷HART信號傳 輸。幸運(yùn)的是，AD5755提供可控制的壓擺率，啟用該功能后， 用戶可以通過數(shù)字方式限制電流輸出的壓擺率。

　　AD5755 完整解決方案

　　圖 11顯示采用AD5755的典型設(shè)置。（圖中顯示了一個HART調(diào)制解調(diào)器通道，但有四路HART輸入可用，每個通道一路輸入。）當(dāng)使能動態(tài)電源控制特性時，每個通道需要四個外部器件：一個飽和電流約為1A的電感、一個開關(guān)二極管和兩個具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容。利用極少的外部器件，AD5755提供一款集成的單芯片、高性能系統(tǒng)解決方案。總非調(diào)整誤差(TUE)典型值為0.01%，其中包括25°C時的所有增益和失調(diào)誤差。

圖 11. AD5755設(shè)置

　　結(jié)論

　　隨著所需通道數(shù)和各模塊通道密度同步提高，系統(tǒng)設(shè)計人員面臨著許多問題：如何在提高通道數(shù)量的同時保持較小的模塊尺寸？如何提高通道數(shù)量并設(shè)計高能效系統(tǒng)，同時使系統(tǒng)的自熱效應(yīng)和漂移誤差保持最?。烤洼敵鼍幊绦阅芏裕绾螢榭蛻籼峁┳畲蟮撵`活性？提供哪些安全特性和診斷功能，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠并能夠輕松找出問題所在？

　　AD5755是一款采用9mm × 9mm CSP封裝的4通道器件，能夠大幅減小系統(tǒng)的電路板面積并提高通道密度。其動態(tài)電源控制特性能夠調(diào)節(jié)片內(nèi)功耗，使模塊功耗降至最低。此外還有片內(nèi)診斷功能，包括看門狗定時器、PEC差錯校驗及開路/短路檢測和保護(hù)，穩(wěn)定可靠的設(shè)計使它能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作，讓最終用戶更有信心。AD5755是一款真正的片上系統(tǒng)解決方案。