德州仪器PLC/DCS I/O模块的模拟数字输入输出解决方案

从可编程逻辑控制器和工业计算机到人机界面和工业外设和驱动，自动化应用的范围非常广泛。 TI 技术为工业自动化系统开发人员带来了很多新机遇，成功满足和解决了不断发展的通信标准和设计难题；另外它提供的高度可靠的产品可达到制造商应对恶劣环境所需的严格要求。本内容提供了德州仪器PLC/DCS I/O模块的模拟数字输入输出解决方案

PLC/DCS I/O 模块：模拟输入

用于 PLC/PAC/DCS 的模拟输入 – 系统方框图

设计注意事项

I/O 模块是用于终端设备（例如，PLC ［可编程逻辑控制器］、PAC ［可编程自动控制器］ 和 DCS ［分布式控制系统］）的工业控制系统的构建块。模拟输入模块采集和测量温度、压力、流量、级别、振动和运动等信号。这些参数从工厂车间中的传感器和其他现场器件等设备上以电流或电压的形式传送。电流回路的范围通常为 4-20mA；而电压输入既可以是单端的也可以是差动的，范围为 0-5V、0-10V、+/-5V 和 +/-10V。

信号链

测量精度通常由 ADC 分辨率和需要多达 24 位的热电偶应用决定。Δ-Σ ADC 是一些具有内置 PGA 和 Mux 的产品的不错选择。部分产品还可对非接地热电偶进行内置电流源和电压偏置的比例式测量。典型的采样速率高达 1KSPS，可测量缓慢变化的变量，如温度、压力、级别和流量。注塑和聚集了大量通道的系统等专门应用需要更高的采样速度（高达 500KSPS）。SAR ADC 是这类应用的理想选择。同步采样架构用于状态监控、运动控制和电力自动化中所使用的模块。

通过输入缓冲器和 INA（仪表放大器）实现的低源阻抗连接至传感器时，进行信号调节需要注意高输入阻抗。其他考虑因素还包括较大的共模电压范围以及共模抑制来自电机、AC 电力线和其他源的干扰，后者在模拟输入中注入噪声。由于输入可以是来自热电偶和其他低电平传感器的信号，因此需要低偏移电压以及过温条件下偏移电压的最小漂移来保持精度。精密双极性运算放大器用途广泛。差动放大器可在共模范围大于电轨时使用。最后，PGA（可编程增益放大器）可在输入电压范围随多种传感器类型变化时使用。

处理器

除了开发平台和软件工具以外，我们还强烈需要可缩短上市时间的支持。从以太网端口到 UART，再到简单的 SPI 端口的这些连接选项也在需求范围之内。以太网可以实现现场器件与公司企业网络的集成。大多数工业控制应用需要简单的低成本 PLC 及大量的数字 I/O 和集成功能。其中包括故障诊断、看门狗计时器、低功耗、多 SPI 端口、UART，以及 ADC 和 PWM 输出等对 DAC 执行类似功能的集成模拟外设。MCU（微处理器单元）是这些应用的理想选择。对于功能要求很高且需要更高的环路速率及高级控制算法来处理多种功能域（例如逻辑、PID 控制和运动）的应用，需要性能更高的 MPU（微处理单元）。

工业应用需要支持大量的通信选项。TI 的许多处理器包含实时处理单元 （PRU），以支持符合这些通信标准的真正可编程的方法。此外，ARM 架构可提供任务关健型功能所需的性能及低功耗。

接口

有多种现场总线选项 - 基于串行（RS-485、DeviceNet、Profibus、CAN 等）和基于以太网。扩展的线缆长度和线路中断诊断调试功能可为设计人员提供巨大的价值。接口收发器上的集成数字隔离对于缩减电路板空间非常理想。此外，可使用光耦合器或采用电容技术构建的 TI 隔离器来对 ADC 和控制器之间的接口进行数字隔离。

电源

为保护免受瞬态和接地环路的影响，应对连接到传感器的现场端与控制端进行电隔离。要实现这一点，可按通道来操作，或者互相隔离通道组中的成员及控制端。出于性能或成本的考虑，可使用 DC-DC 转换器和分立组件来定制设计，也可以使用预构建的隔离 DC-DC 转换器模块。其他注意事项包括通过较小的封装实现高效率和集成。选用具有较大输入范围的 DC-DC 转换器可避免受到电源瞬态的影响。最后，使用具有较好 PSRR（电源抑制比）的 LDO 来提供精密模拟电路，将减少电源纹波并维持系统的准确度和分辨率。

PLC/DCS I/O 模块：模拟输出

用于 PLC/PAC/DCS I/O 模块的模拟输出 – 系统方框图

设计注意事项

I/O 模块是用于终端设备（例如，PLC ［可编程逻辑控制器］、PAC ［可编程自动控制器］ 和 DCS ［分布式控制系统］）的工业控制系统的构建块。模拟输出模块用于驱动和控制传动器及其他机器，并构成整个控制系统的一部分。电流环路输出的范围通常为 4-20mA，而电压输出范围为 0-5V、0-10V、+/-5V 和 +/-10V。

信号链

线性、建立时间、响应和准确度由使用的 DAC 确定。基于电阻串的 DAC 尺寸小、成本低且自身就具有单调的特性。对于更高的分辨率和要求更高线性的应用（如，开放式环路阀门控制），R-2R DAC 是理想之选。最后，如要实现最快的建立时间和速度，应使用 R-2R 乘法 DAC。选择适当的参考并配以适当的缓冲器可以对系统性能产生影响。参考注意事项包括初始准确度、温度漂移和拉/灌电流功能。

必须根据速度、输出电压电平和功率选择输出放大器。TI 的 XTR 系列工业驱动器是实施 4-20mA 电流环路的理想选择。一些产品允许设计人员将输出编程为电压或电流。更新的产品将 DAC 和 XTR 集成起来，最大程度地缩减电路板空间并优化功耗。

处理器

除了开发平台和软件工具以外，我们还强烈需要可缩短上市时间的支持。从以太网端口到 UART，再到简单的 SPI 端口的这些连接选项也在需求范围之内。以太网可以实现现场器件与公司企业网络的集成。大多数工业控制应用需要简单的低成本 PLC 及大量的数字 I/O 和集成功能。其中包括故障诊断、看门狗计时器、低功耗、多 SPI 端口、UART，以及 ADC 和 PWM 输出等对 DAC 执行类似功能的集成模拟外设。MCU（微处理器单元）是这些应用的理想选择。对于功能要求很高且需要更高的环路速率及高级控制算法来处理多种功能域（例如逻辑、PID 控制和运动）的应用，需要性能更高的 MPU（微处理单元）。

工业应用需要支持大量的通信选项。TI 的许多处理器包含实时处理单元 （PRU），以支持符合这些通信标准的真正可编程的方法。此外，ARM 架构可提供任务关健型功能所需的性能及低功耗。

接口

有多种现场总线选项 - 基于串行（RS-485、DeviceNet、Profibus、CAN 等）和基于以太网。扩展的线缆长度和线路中断诊断调试功能可为设计人员提供巨大的价值。接口收发器上的集成数字隔离对于缩减电路板空间非常理想。此外，可使用光耦合器或采用电容技术构建的 TI 隔离器来对 DAC 和控制器之间的接口进行数字隔离。

电源

为保护免受瞬态和接地环路的影响，应对连接到传感器的现场端与控制端进行电隔离。要实现这一点，可按通道来操作，或者互相隔离通道组中的成员及控制端。出于性能或成本的考虑，可使用 DC-DC 转换器和分立组件来定制设计，也可以使用预构建的隔离 DC-DC 转换器模块。其他注意事项包括通过较小的封装实现高效率和集成。选用具有较大输入范围的 DC-DC 转换器可避免受到电源瞬态的影响。最后，使用具有较好 PSRR（电源抑制比）的 LDO 来提供精密模拟电路，将减少电源纹波并维持系统的准确度和分辨率。

PLC/DCS I/O 模块：数字输入

用于 PLC/PAC/DCS 的模拟输入 – 系统方框图

设计注意事项

I/O 模块是用于终端设备（例如，PLC ［可编程逻辑控制器］、PAC ［可编程自动控制器］ 和 DCS ［分布式控制系统］）的工业控制系统的构建块。数字输入模块采集并测量来自多种传感器（例如：接近开关、限位开关和按钮开关）的数字输入信号。输入范围通常为 0-24V，容差高达 30V。

信号链

来自 PLC 数字输入 （DI） 模块中使用的 DC 传感器的信号通常为高电压，并且在进入移位寄存器进行串行之前，常常会通过光耦合器进行隔离。相反，数据输入串行器可用于串行大量数字信号，从而允许 PLC I/O 模块中更高的通道密度。此时，隔离仅限于 SPI 接口，因为多个串行器可通过菊花链的形式连接。它们还具有感应高电压、可调电流限制和可编程反跳次数等优点。其他集成到这些产品中的功能包括温度传感和电压调节。

处理器

除了开发平台和软件工具以外，我们还强烈需要可缩短上市时间的支持。从以太网端口到 UART，再到简单的 SPI 端口的这些连接选项也在需求范围之内。以太网可以实现现场器件与公司企业网络的集成。大多数工业控制应用需要简单的低成本 PLC 及大量的数字 I/O 和集成功能。其中包括故障诊断、看门狗计时器、低功耗、多 SPI 端口、UART，以及 ADC 和 PWM 输出等对 DAC 执行类似功能的集成模拟外设。MCU（微处理器单元）是这些应用的理想选择。对于功能要求很高且需要更高的环路速率及高级控制算法来处理多种功能域（例如逻辑、PID 控制和运动）的应用，需要性能更高的 MPU（微处理单元）。

工业应用需要支持大量的通信选项。TI 的许多处理器包含实时处理单元 （PRU），以支持符合这些通信标准的真正可编程的方法。此外，ARM 架构可提供任务关健型功能所需的性能及低功耗。

接口

有多种现场总线选项 - 基于串行（RS-485、DeviceNet、Profibus、CAN 等）和基于以太网。扩展的线缆长度和线路中断诊断调试功能可为设计人员提供巨大的价值。接口收发器上的集成数字隔离对于缩减电路板空间非常理想。此外，可使用光耦合器或采用电容技术构建的 TI 隔离器来对多输入或单输入串行器和控制器之间的接口进行数字隔离。

电源

为保护免受瞬态和接地环路的影响，应对连接到传感器的现场端与控制端进行电隔离。出于性能或成本的考虑，可使用 DC-DC 转换器和分立组件来定制设计，也可以使用预构建的隔离 DC-DC 转换器模块。其他注意事项包括通过较小的封装实现高效率和集成。选用具有较大输入范围的 DC-DC 转换器可避免受到电源瞬态的影响。