過程控制和plc設(shè)計(jì)指南

　　plc基本原理

　　電流控制環(huán)的應(yīng)用始于20世紀(jì)早期的電傳打字機(jī)， 先使用的是0–60ma環(huán)路，后來(lái)改為0–20ma環(huán)路，plc系統(tǒng)率先加入4–20ma環(huán)路。4–20ma電流環(huán)有很多優(yōu)勢(shì)，將4ma作為 低通信電流，傳輸線斷開（開路）時(shí)很容易檢測(cè)到這一故障，只需兩條連線即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端傳感器供電，大約3.5ma。4–20ma環(huán)路可以采用模擬通信，也可以采用數(shù)字通信。

　　在傳統(tǒng)的分立器件設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)計(jì)算，而且電路占用較大空間。maxim推出了幾款20ma器件，能夠大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。我們首先考慮典型的plc功能，如圖3所示。

　　圖3. plc簡(jiǎn)化框圖

　　plc用于完成某項(xiàng)工作或任務(wù)。我們先檢測(cè)一個(gè)物理參數(shù)，對(duì)其處理并進(jìn)行決策，然后命令某個(gè)物理設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。根據(jù)這一模型，左下框顯示了信號(hào)調(diào)理輸出，可以采用max15500/max15501集成電路。

　　max15500/max15501允許選擇近程電壓控制或遠(yuǎn)程電流控制。從圖4可以看出，除了傳統(tǒng)的分立方案中所具備的基本通信功能外，器件中又加入了新的監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能。

　　圖4. max15500/max15501輸出調(diào)理器系列產(chǎn)品，器件功能包括：為1kω提供的±12v加載感應(yīng)輸出、供給750ω的±24ma電流、100μs的14位建立時(shí)間、40μs的12位建立時(shí)間。

　　工廠布線受運(yùn)動(dòng)、震動(dòng)等因素的影響，可能導(dǎo)致與其它連接器之間的開路或短路。為了保證設(shè)備和人身安全，需要進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。電纜發(fā)生失效時(shí)，在系統(tǒng)徹底失效之前會(huì)有一段間隔時(shí)間。max15500系列能夠智能化地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管理不同的失效狀況。

　　考慮到工廠極端的emi、rfi、電源浪涌條件，任何監(jiān)控措施都必須可靠，能夠不受外界環(huán)境的干擾。max15500系列包含了一個(gè) 小260ms的開路、短路超時(shí)周期，這個(gè)時(shí)間周期足以避免監(jiān)測(cè)嘈雜環(huán)境引起的錯(cuò)誤報(bào)警，而且也足夠捕獲短暫的電纜故障。此外，器件將鎖存故障并觸發(fā)一個(gè)獨(dú)立的硬件中斷引腳報(bào)警，從而使處理器快速響應(yīng)電纜短路故障。處理器收到中斷后可以讀取max15500的寄存器內(nèi)容，獲取準(zhǔn)確的故障信息，清除故障中斷。除了監(jiān)測(cè)電纜的狀況外，器件還提供其它安全功能，例如，通過檢測(cè)芯片溫度監(jiān)控環(huán)境是否過熱。可調(diào)節(jié)的電源跌落檢測(cè)門限對(duì)于可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，電源電壓檢測(cè)門限可以在±10v至±24v范圍調(diào)節(jié)，級(jí)差為2v。

　　為了保證系統(tǒng)安全，max15500/max15501輸出還具有過流保護(hù)、對(duì)地短路保護(hù)以及高達(dá)±35v的過壓保護(hù)。為滿足客戶需求，max15500/max15501提供可編程的超量程能力。某些用戶采用滿量程的105%，甚至120%進(jìn)行測(cè)試或處理緊急操作（系統(tǒng)可能出于部分故障或強(qiáng)噪聲環(huán)境）。max15500/max15501采用32引腳、5mm2 tqfn封裝，帶有裸焊盤，改善散熱。

　　max15500/max15501輸出調(diào)理器符合hart®標(biāo)準(zhǔn)，hart （高速可尋址遠(yuǎn)端傳感器）協(xié)議能夠在4–20ma控制線路上承載雙向數(shù)字信號(hào)，類似于1200波特率、用于固定電話呼叫的bell 202協(xié)議。

　　max15500/max15501還具有獨(dú)立的spi™總線，減少了電氣隔離所需要的光隔離器。器件采用的是特殊的自定時(shí)spi接口，支持菊鏈協(xié)議。當(dāng)多個(gè)spi器件需要通過電氣隔離控制時(shí)，這種模式有助于減少控制線和隔離光耦的需求。

　　在更小的pcb （pc板）上集成更多功能

　　設(shè)計(jì)分立、可選電壓（單極性和雙極性）或電流輸出調(diào)節(jié)電路是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)人員了解到需要控制滿量程可變?cè)鲆妗⑨槍?duì)單極性和雙極性電壓設(shè)置的多種復(fù)位電平、0ma和4ma電路需求時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜度又進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。圖5簡(jiǎn)化了這些功能設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些功能已經(jīng)集成在max5661電流和電壓輸出dac的內(nèi)部。

　　圖5. max5661的簡(jiǎn)化功能框圖

　　max5661借助其編程功能解決了分立方案設(shè)計(jì)難題，可以方便地選擇以下參數(shù)：

　　輸出電壓

　　單極性范圍：0至+10.24v，±25%

　　雙極性范圍：±10.24v，±25%

　　電流輸出

　　單極性低檔范圍：0至20.45ma

　　單極性高檔范圍：3.97ma至20.45ma

　　滿量程輸出增益

　　以10位分辨率或間隔調(diào)整到高達(dá)±25%的超范圍

　　異步復(fù)位或清零，或預(yù)置到16位數(shù)字

　　這些功能提供了設(shè)計(jì)靈活性，作為模擬電源時(shí)，輸出電壓范圍為±13.48v至±15.75v；電流輸出時(shí)，輸出電壓擺幅為：+13.48v至+40v。差分電壓輸出可以通過電壓輸出放大器的加載/感應(yīng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)。故障輸出中斷指示開路電流輸出、短路電壓輸出或狀態(tài)清除。該功能由限流電壓輸出驅(qū)動(dòng)；對(duì)于電流輸出，壓差檢測(cè)器對(duì)超出規(guī)定范圍的電流輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)。/ldac引腳用于控制異步dac更新和多dac同步系統(tǒng)。

　　上述所有功能集成在max5661 10mm x 10mm lqfp封裝內(nèi)。