過程控制和plc設計指南

　　plc基本原理

　　電流控制環的應用始于20世紀早期的電傳打字機， 先使用的是0–60ma環路，后來改為0–20ma環路，plc系統率先加入4–20ma環路。4–20ma電流環有很多優勢，將4ma作為 低通信電流，傳輸線斷開（開路）時很容易檢測到這一故障，只需兩條連線即可實現遠端傳感器供電，大約3.5ma。4–20ma環路可以采用模擬通信，也可以采用數字通信。

　　在傳統的分立器件設計中需要仔細計算，而且電路占用較大空間。maxim推出了幾款20ma器件，能夠大大簡化系統設計。我們首先考慮典型的plc功能，如圖3所示。

　　圖3. plc簡化框圖

　　plc用于完成某項工作或任務。我們先檢測一個物理參數，對其處理并進行決策，然后命令某個物理設備進行動作。根據這一模型，左下框顯示了信號調理輸出，可以采用max15500/max15501集成電路。

　　max15500/max15501允許選擇近程電壓控制或遠程電流控制。從圖4可以看出，除了傳統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測和保護功能。

　　圖4. max15500/max15501輸出調理器系列產品，器件功能包括：為1kω提供的±12v加載感應輸出、供給750ω的±24ma電流、100μs的14位建立時間、40μs的12位建立時間。

　　工廠布線受運動、震動等因素的影響，可能導致與其它連接器之間的開路或短路。為了保證設備和人身安全，需要進行安全監測。電纜發生失效時，在系統徹底失效之前會有一段間隔時間。max15500系列能夠智能化地進行監測，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，任何監控措施都必須可靠，能夠不受外界環境的干擾。max15500系列包含了一個 小260ms的開路、短路超時周期，這個時間周期足以避免監測嘈雜環境引起的錯誤報警，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一個獨立的硬件中斷引腳報警，從而使處理器快速響應電纜短路故障。處理器收到中斷后可以讀取max15500的寄存器內容，獲取準確的故障信息，清除故障中斷。除了監測電纜的狀況外，器件還提供其它安全功能，例如，通過檢測芯片溫度監控環境是否過熱。可調節的電源跌落檢測門限對于可靠的系統設計非常關鍵，電源電壓檢測門限可以在±10v至±24v范圍調節，級差為2v。

　　為了保證系統安全，max15500/max15501輸出還具有過流保護、對地短路保護以及高達±35v的過壓保護。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%進行測試或處理緊急操作（系統可能出于部分故障或強噪聲環境）。max15500/max15501采用32引腳、5mm2 tqfn封裝，帶有裸焊盤，改善散熱。

　　max15500/max15501輸出調理器符合hart®標準，hart （高速可尋址遠端傳感器）協議能夠在4–20ma控制線路上承載雙向數字信號，類似于1200波特率、用于固定電話呼叫的bell 202協議。

　　max15500/max15501還具有獨立的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spi接口，支持菊鏈協議。當多個spi器件需要通過電氣隔離控制時，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

　　設計分立、可選電壓（單極性和雙極性）或電流輸出調節電路是一項極具挑戰的任務，特別是當設計人員了解到需要控制滿量程可變增益、針對單極性和雙極性電壓設置的多種復位電平、0ma和4ma電路需求時，會對系統的復雜度又進一步的認識。圖5簡化了這些功能設計，因為這些功能已經集成在max5661電流和電壓輸出dac的內部。

　　圖5. max5661的簡化功能框圖

　　max5661借助其編程功能解決了分立方案設計難題，可以方便地選擇以下參數：

　　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位分辨率或間隔調整到高達±25%的超范圍

　　異步復位或清零，或預置到16位數字

　　這些功能提供了設計靈活性，作為模擬電源時，輸出電壓范圍為±13.48v至±15.75v；電流輸出時，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/感應檢測實現遠程檢測。故障輸出中斷指示開路電流輸出、短路電壓輸出或狀態清除。該功能由限流電壓輸出驅動；對于電流輸出，壓差檢測器對超出規定范圍的電流輸出進行監測。/ldac引腳用于控制異步dac更新和多dac同步系統。

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