使用4引腳或6引腳端子板的PLC/DCS通用模擬輸入

評估和設計支持

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/308110.htm

電路評估板

CN0325評估板(EVAL-CN0325-SDPZ)

系統演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優勢

圖1所示電路提供兩個16位全隔離式通用模擬輸入通道，適用於可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)模塊。兩個通道均支持軟體編程，以及多種電壓、電流範圍和熱電耦、RTD類型，具體如圖1所示。輸入通道提供±30 V直流過壓條件保護。

演示板含有兩個不同的全隔離式通用輸入通道，一個帶4引腳端子板(CH2)，一個帶6引腳端子板(CH1)。對於4引腳端子板(CH2)，電壓、電流、熱電偶和RTD輸入全部共用相同的4個端子，從而最大限度地減少了所需端子引腳的數量。對於6引腳端子板通道(CH1)，電壓和電流輸入共用一組3個端子，熱電偶和RTD輸入共用另一組3個端子;這需要更多端子，但其器件數量較少，元件成本也較低。圖2所示為PCB照片，圖3所示為電路的詳細原理圖。

電路描述

AD7795低噪聲、16位Σ-Δ ADC搭載片內儀表放大器和基準電壓源，用於數據轉換應用。片內儀表放大器和電流源為RTD和熱電偶測量提供了一種完整的解決方案。對於電壓和電流輸入，AD8226儀表放大器(其CMR大於90 dB)用於提供高輸入阻抗，抑制共模幹擾。通過一個精密電阻分頻器將電壓和電流信號縮放至ADC的範圍之內。

ADR441是一款超低噪聲、低壓差XFET® 2.5 V基準電壓源，用作ADC的基準電壓源。

對於4引腳端子板通道(CH2)，使用ADG442、低RON防閂鎖開關來在電壓、電流、熱電偶和RTD輸入模式之間切換。

數字和電源隔離採用ADuM3471實現，這是一款PWM控制器和變壓器驅動器，搭載四通道隔離器，用於基於外部變壓器產生±15 V隔離式電源。ADuM1311三通道數字隔離器也用在4引腳端子板電路中，用於隔離ADG442開關的控制線路。

ADP2441 36 V降壓DC-DC穩壓器輸入電源的容限較寬，是接受24 V工業電源的理想之選。最高可接受36 V電源，因而更有利於實現對電源輸入進行可靠的瞬變保護。將輸入電壓降至5 V，以驅動ADuM3471以及所有其他控制端電路。電路在24V電源端還提供了外部保護功能。

ADP2441還具有其他各種安全性/可靠性功能，如欠壓閉鎖(UVLO)、精確使能特性、電源良好引腳和過流限值保護。還可以在24 V輸入、5 V輸出配置中實現最高90%的效率。

硬體

圖2所示為含4引腳端子板的通道位置以及含6引腳端子板的通道位置。同時顯示了24 V電源輸入的位置。

通道選擇

需要插入並切換跳線，以配置CH1和CH2之間的電源和SPI信號，如表1所示。

電源配置

用24 V電源來驅動評估板的控制器端。也可使用5 V電源，旁路ADP2441電路。該5 V輸入不具有任何過壓保護功能，不得超過6 V。所用電源應通過J4鏈路選項進行配置，如表2所示。

對於隔離柵的模擬輸入端，有兩種選項可用於驅動模擬電路的5 V穩壓電源。可使用ADP1720線性穩壓器將15 V電源降至5 V，也可使用ADuM3471的內置5 V穩壓器。兩種選項的鏈路配置如表3所示。

電壓和電流

P12連接器用於電壓和電流輸入連接。圖11和圖12所示為該輸入連接和配置的簡化原理圖。支持的差分輸入範圍為：0 V至5V、0 V至10V、±5V、±10 V、0 mA至20 mA、4 mA至20 mA和±20 mA。在V1+和V1–之間連接電壓或電流輸入，因為電流輸入會同時把V1+和I1引腳短接在一起。結果連接一個249 Ω精密電流檢測電阻，其精度為0.1%，額定值為0.25 W。

熱電偶

P12連接器也用於熱電偶輸入。可以連接多種熱電偶類型，包括J、K、T和S。熱電偶連接於V1+和V1-輸入之間(圖5)。下面的圖6所示為將熱電偶(例如，T型)連接到通用型模擬輸入板的方法。熱電偶輸入的簡化原理圖見圖13。

RTD

P12、P13連接器用於RTD輸入。硬體可以支持1000 和100 鉑RTD輸入。對於3線模式，兩條共用線連接至V1+和V1–，迴路連接至Vm(見圖5)。下面的圖7所示為將3線RTD傳感器連接到通用型模擬輸入板的方法。RTD輸入的簡化原理圖見圖14。

電壓和電流

P10連接器用於電壓和電流輸入連接。支持的差分輸入範圍為：0 V至5 V、0 V至10V、±5V、±10V、0 mA至20 mA、4 mA至20mA和±20 mA。在V1+和V1–之間連接電壓或電流輸入(見圖13)，儘管對於電流輸入，同時還要把V1+和I1引腳短接在一起，結果連接一個249 Ω精密電流檢測電阻，其精度為0.1%，額定值為0.25 W。

熱電偶

P11連接器用於熱電偶輸入。可以連接多種熱電偶類型，包括J、K、T和S。熱電偶連接於V+和V-輸入之間(圖8)。下面的圖9所示為將熱電偶(此例為T型)連接到通用型模擬輸入板的方法。

RTD

P11連接器也用於RTD輸入。硬體可以支持1000 和100 鉑RTD輸入。對於3線模式，兩條共用線連接至V+和V–，迴路連接至Vm(見圖8)。下面的圖10所示為將3線RTD傳感器連接到通用型模擬輸入板的方法。

軟體說明

通用模擬輸入板附帶一張CD光碟，其中含有用Labview設計的評估軟體。可將該軟體安裝到裝有Windows XP (SP2)、Vista(32位或64位)或Windows 7(32位或64位)的標準PC上。要使用評估軟體，需要SDP-B(系統演示平臺B版)。

在評估軟體運行時，來自板載EEPROM的優化默認配置以及校準參數將加載到軟體中。評估軟體允許用戶通過通用模擬輸入板採集數據，可以對該數據進行分析，也可將其保存到文件中。分析結果以坐標圖和數字格式顯示在屏幕上。用戶可以設置自己的配置和校準值，將其保存到板載EEPROM中，軟體會記錄配置並在下次運行時自動上傳。

軟體安裝

1. 插入CD光碟(或者從以下網址下載軟體安裝包：ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0325/)

2. 在CD或下載的文件中找到Setup.exe文件。雙擊該文件，啟動安裝程序。

3. 按照屏幕指示操作，完成安裝。

請先安裝評估軟體，再將評估板和SDP板連接到PC的USB埠，確保PC能夠正確識別評估系統和SDP板。安裝完成後，

1. 使用附帶的電纜，通過PC的USB埠連接EVAL-SDP-CB1Z。

2. 將EVAL-CN0325-SDPZ評估板連接至兩個SDP連接器之一。

1. 打開EVAL-CN0325-SDPZ(確保按「硬體」部分的要求正確設置跳線)

2. 啟動EVAL-CN0325-SDPZ軟體(「CN0325.exe」)，然後確認出現的所有對話框。這樣就完成了安裝。

使用軟體

軟體主面板如圖16所示。硬體通過Configuration(配置)選項卡進行配置，該選項卡分為三個子選項卡，分別處理不同的功能。Acquisition Result(採集結果)選項卡顯示來自ADC的所有數據，並將結果轉換成相關單位。Calibration(校準)選項卡允許用戶對任何範圍進行校準。有關已連接SDP板和軟體的詳情可在S/W Version Info(軟體版本信息)選項卡中找到。

圖16. 評估軟體主面板。

主窗口按鈕

Connect to SDP(連接至SDP)：單擊設置SDP板和評估板之間的連接。

Disconnect to SDP(斷開與SDP的連接)：單擊斷開SDP板與評估板之間的連接。

Single Capture(單次捕獲)：單擊啟動單次捕獲。

Start (Stop) Acquisition(開始(停止)採集)：單擊開始(停止)連續捕獲。

Save Data(保存數據)：將軟體中顯示的數據保存至文件，以便進一步分析使用。

Quit(退出)：退出應用程式。

Configuration(配置)選項卡

Hardware Configuration(硬體配置)子選項卡

Hardware Configuration(硬體配置)子選項卡上的圖片(見圖17)展示的是所選輸入的正確跳線設置方法和接線方法。為確保結果的正確性，硬體上的跳線設置應與圖片相同。不同的輸入選項列於下方：

Circuit Type(電路類型)：有兩個完全隔離式通用模擬輸入電路可供選擇。「Type1- 6TB」：成本最低的解決方案，帶6引腳傳感器和信號連接端子;或者「Type2- 4TB」：一種更加緊湊的解決方案，只帶4引腳傳感器和信號連接端子。

Input Signal Type(輸入信號類型)：評估板可以轉換多類信號，包括電壓、電流、熱電偶和RTD。一旦選定，就必須選擇所需範圍的熱電偶/RTD類型。

Capture Mode(捕獲模式)：設置數據捕獲方法。要麼是單次捕獲模式，即只捕獲指定數量的採樣。要麼是連續捕獲模式，即將連續捕獲數據，直到用戶停止採集為止。

AD7795配置子選項卡

對於在硬體配置選項卡中選擇的每一類輸入信號範圍，都會有相應的默認配置加載到通用模擬輸入板中。本AD7795配置選項卡(見圖17)支持更高級的配置，並且具有較大的靈活性，能夠以不同於默認值的配置對板進行評估。

該選項卡的使用要求掌握具體的AD7795寄存器、功能和硬體結構知識。配置不正確可能導致採集或運行錯誤。按鈕Recover All (Current) range to Default(將全部(當前)範圍恢復為默認值)用於恢復所選範圍的默認配置。

圖17. AD7795配置頁。

ADT7310配置子選項卡

有一個板載溫度傳感器晶片ADT7310，在熱電偶測量過程中，該晶片靠近端子板，以實現冷結補償。一般情況下，會將默認配置加載到通用模擬輸入板中。本ADT7310配置選項卡(見圖18)支持更高級的配置，並且具有較大的靈活性，能夠以不同於默認值的配置對板進行評估。該選項卡的使用要求掌握具體的ADT7310寄存器、功能和硬體結構知識。

圖18. ADT7310配置頁。

Acquisition Result(採集結果)選項卡

Converted Result(轉換結果)子選項卡

基於來自數據轉換器的RAW數據以及通道配置和校準值，將結果轉換成相關的單位。數據以波形圖顯示在該子選項卡中(見圖19)。同時對數據進行分析，以提供採樣數、均值、最小值、最大值、rms和峰峰值噪聲以及rms和峰峰值解析度。

圖19. 採集結果選項卡，轉換結果子選項卡

ADC RAW Data(ADC RAW數據)子選項卡

直接從ADC讀取的採集數據以波形圖顯示在該子選項卡中。同時對數據進行分析，以提供採樣數、均值、最小值、最大值、rms和峰峰值噪聲以及rms和峰峰值解析度。

Histogram(直方圖)子選項卡

直方圖選項卡(見圖20)清楚地顯示了已捕獲的RAW ADC數據的分布情況。該圖表可以用來評估噪聲和採集穩定性。

圖20. 採集結果選項卡，直方圖子選項卡

Calibration(校準)選項卡

該軟體同時為每一種輸入信號和傳感器類型提供了獨立的校準參數。這樣，用戶就可以準確地校準系統失調和增益，以使系統實現高直流精度(見圖21)。校準參數可以存儲到板載EEPROM中，以便以後使用。完整的校準同時要求進行零電平校準和滿量程校準。

圖21. 校準頁。

以下步驟將確保校準的準確性。

1. 選擇要校準的輸入範圍

2. 應用Zeroscale Value(零電平值)中指定的正確輸入信號，單擊按鈕Zero Calibrate(零校準)。按提示操作，完成零電平校準。

3. 應用Fullscale Value(滿量程值)中指定的正確輸入信號，單擊按鈕Zero Calibrate(零校準)。按提示操作，完成滿量程校準。

4. 單擊按鈕Save into EEPROM(保存至EEPROM)

校準參數將存入ADC的內部校準寄存器。只有當用戶單擊按鈕保存至EEPROM時，新的校準值才會永久性地保存至EEPROM，並在下次選擇該範圍時加載。

工廠默認校準值的副本存儲在板載EEPROM中。單擊Recover to Default(恢復默認值)按鈕，所有校準值將恢復至工廠默認值。

軟體版本信息選項卡

圖22展示的是軟體版本信息選項卡的圖片。該選項卡提供有關已連接SDP板的信息。

單擊Flash LED(閃爍LED)按鈕，結果將使SDP上的LED燈閃爍，同時表示SDP與評估板之間已成功建立連接。

單擊Read Firmware(讀取固件)按鈕，結果將讀取SDP平臺上的當前代碼信息。

圖22. 軟體版本信息選項卡

每個參數的意義列出如下：

Major Rev(重大修訂號)：重大代碼修訂編號

Minor Rev(微小修訂號)：微小代碼修訂編號

HostCode Rev(主機代碼修訂號)：用於開發固件的主機代碼的版本號

BlackFinCode Rev(BlackFin代碼修訂號)：固件的BlackFin代碼修訂編號

Date(日期)：代碼編譯日期

Time(時間)：代碼編譯時間