基于AD5755數(shù)模轉(zhuǎn)換器提高PLC設(shè)計(jì)效率并降低功耗

概述

可編程邏輯控制器 （PLC）使用邏輯、時(shí)序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)算法等快速、確定性的功能來(lái)控制機(jī)器和過(guò)程。PLC使用模擬和數(shù)字信號(hào)與終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)的不斷增加，控制器中I/O模塊節(jié)點(diǎn)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(wàn)的節(jié)點(diǎn)。如此密集的節(jié)點(diǎn)使溫度相關(guān)的挑戰(zhàn)難度越來(lái)越大，尤其是對(duì)于4mA至20mA環(huán)路通信標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?yàn)楝F(xiàn)有系統(tǒng)的低效率導(dǎo)致電能浪費(fèi)，運(yùn)營(yíng)成本增加。本文將說(shuō)明設(shè)計(jì)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(wèn)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 （程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)）或Fieldbus等開(kāi)放或?qū)Ｓ袇f(xié)議進(jìn)行連接。如今，業(yè)界對(duì)使用PROFINET5的興趣日漸增強(qiáng)，它是一種設(shè)計(jì)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(jí)結(jié)構(gòu)

PROFINET的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)。

能夠使用標(biāo)準(zhǔn)接入點(diǎn)、路由器、交換機(jī)、集線(xiàn)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(gè)以上的節(jié)點(diǎn)。這對(duì)于RS-485是可行的，但對(duì)于RS-232則不可行。

在“現(xiàn)場(chǎng)”級(jí)，用于將工業(yè)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議為數(shù)眾多，包括DeviceNet，? CAN6， InterBus，?7和上述PROFIBUS、Fieldbus。

輸入輸出（I/O）控制器連接工廠(chǎng)或過(guò)程環(huán)境中的傳感器和控制執(zhí)行器，并通過(guò)上述模擬和數(shù)字方式與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通信。本身安全的系統(tǒng)通過(guò)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?a target="_blank">處理器通常為8位至32位處理器，性能最高可達(dá)100 DMIPS（Dhrystone百萬(wàn)條指令/秒）。工廠(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備結(jié)實(shí)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(gè)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5 W。

圖2. I/O模塊

模擬4mA至20mA電流環(huán)路常用于工業(yè)過(guò)程控制的信號(hào)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(shì)在于信號(hào)精度不受互連線(xiàn)路的壓降影響，而且環(huán)路可以提供最高4 mA電流為器件供電。即使線(xiàn)路電阻很大，電流環(huán)路變送器也會(huì)在其電壓能力范圍內(nèi)維持適當(dāng)?shù)碾娏鳌?/p>

通過(guò)4mA所代表的“活動(dòng)—零”狀態(tài)，接收儀表可以檢測(cè)環(huán)路的一些故障（例如：0mA表示開(kāi)環(huán)，3mA表示傳感器發(fā)生故障），雙線(xiàn)變送器設(shè)備也能通過(guò)環(huán)路電流供電。此類(lèi)儀表用于測(cè)量壓力、溫度、流量、pH值和其它過(guò)程變量，以及控制閥門(mén)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(diǎn)，通過(guò)一個(gè)串聯(lián)精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓輸入。儀表的輸入端可能會(huì)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(gè)儀表時(shí)，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(gè)通道配置為4mA至20mA通信（本例中為從DAC驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(dòng)最高達(dá)（有時(shí)甚至超過(guò)）1 k?的負(fù)載，這是很常見(jiàn)的要求。對(duì)于這一負(fù)載阻抗和20 mA的滿(mǎn)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(shí)，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%，360 mW功率遭到浪費(fèi)。

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

對(duì)于一個(gè)8通道模塊，20 V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(kāi)始演變成問(wèn)題。模塊內(nèi)的溫度升高可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增大，各個(gè)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(jì)人員會(huì)考慮各種辦法來(lái)解決這些問(wèn)題：

增大模塊尺寸以支持更多功耗，但成本會(huì)增加，因而這種解決方案的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)會(huì)增大空間。事實(shí)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(huì)限制性能，導(dǎo)致系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降。

無(wú)論如何，在更小的空間中提供更多的通道這一趨勢(shì)會(huì)給許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)散熱和功耗方面的困擾。

一種有助于解決此問(wèn)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(dòng)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(dòng)態(tài)電源能力（見(jiàn)附錄—圖A）。它的每個(gè)通道都能以16位分辨率提供電流或電壓，輸出端由動(dòng)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(gè)非常緊湊的9mm × 9mm × 0.8mm封裝中提供4個(gè)低功耗節(jié)點(diǎn)。

圖5的簡(jiǎn)化電路顯示了使用感性升壓電路的動(dòng)態(tài)電源控制工作原理。每個(gè)通道都能提供30 V以上的升壓輸出電壓。動(dòng)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(guò)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(gè)誤差電流。開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，MOSFET開(kāi)關(guān)接通，電感電流緩升，然后測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓的MOSFET電流。當(dāng)電流檢測(cè)電壓大于誤差電壓時(shí)，MOSFET斷開(kāi)，電感電流緩降，直到內(nèi)部時(shí)鐘啟動(dòng)下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。在電流模式下調(diào)節(jié)輸出電源電壓采用類(lèi)似方案，此時(shí)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(hù)可以切換各通道的DC/DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率和相位，以實(shí)現(xiàn)電路和器件的優(yōu)化。

對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)器實(shí)行動(dòng)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(guò)下式計(jì)算

不采用動(dòng)態(tài)電源控制時(shí)，假設(shè)使用24V電源，則每個(gè)通道的最差情況功耗可以通過(guò)下式計(jì)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(gè)通道的功耗將接近2 W，這會(huì)給模塊和半導(dǎo)體電路帶來(lái)問(wèn)題。啟用動(dòng)態(tài)電源特性時(shí)，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(dòng)態(tài)電源（固定電源）兩種情況下每個(gè)通道的功耗對(duì)比。

圖6. 啟用和禁用動(dòng)態(tài)電源控制兩種情況下的功耗對(duì)比

啟用動(dòng)態(tài)電源功能時(shí)，在24 mA輸出電流下片內(nèi)功耗約為50 mW，而無(wú)調(diào)節(jié)時(shí)的片內(nèi)功耗則為400 mW。這種控制片內(nèi)功耗的能力非常有用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在提高系統(tǒng)通道數(shù)的同時(shí)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(lái)控制系統(tǒng)溫度。

故障狀況下的系統(tǒng)差錯(cuò)校驗(yàn)與診斷

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，必須能夠監(jiān)控并報(bào)告系統(tǒng)級(jí)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?yàn)橛脩?hù)提供系統(tǒng)級(jí)差錯(cuò)校驗(yàn)功能。

發(fā)生故障時(shí)，一個(gè)重要考慮是控制DAC的MCU/DSP會(huì)如何。由于不能控制輸出，用戶(hù)將完全失去對(duì)系統(tǒng)的控制。AD5755有一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器（超時(shí)可編程設(shè)定），如果它在超時(shí)期限內(nèi)沒(méi)有收到SPI接口傳來(lái)的命令，就會(huì)設(shè)置警告標(biāo)志（高電平有效）。需要時(shí)，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(gè)通道都有一個(gè)16位可編程清零碼寄存器，用戶(hù)可以靈活地將輸出清零為任意碼。

圖7.看門(mén)狗定時(shí)器設(shè)置控制信號(hào)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(hào)也可能遭到破壞。為了應(yīng)對(duì)這種可能性，AD5755具有可選的分組差錯(cuò)校驗(yàn)（PEC）功能，它實(shí)施一種CRC8多項(xiàng)式例程。該功能可以通過(guò)軟件使能或禁用，確保輸出不會(huì)錯(cuò)誤地更新。

輸出端接線(xiàn)錯(cuò)誤常會(huì)導(dǎo)致連接開(kāi)路或短路，有可能會(huì)造成系統(tǒng)損壞。（即使沒(méi)有發(fā)生損壞，問(wèn)題也往往難以診斷。AD5755具有開(kāi)路和短路檢測(cè)功能，可以即時(shí)設(shè)置故障標(biāo)志，提醒技術(shù)人員處理相關(guān)問(wèn)題。）此外，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，短路保護(hù)功能可以限制輸出電流。所有故障都可以通過(guò)SPI接口或硬件故障引腳傳達(dá)，以便用戶(hù)即時(shí)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(hù)也可以對(duì)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(guò)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(diǎn)是只能單向傳輸單個(gè)過(guò)程變量，這對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)是個(gè)限制?？蓪ぶ愤h(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(xiàn)路開(kāi)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(hào)之上疊加一個(gè)1mA峰峰值頻移鍵控（FSK）信號(hào)。基于BELL 202通信標(biāo)準(zhǔn)，所用的兩個(gè)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(hào)

AD5755可以配置為僅利用兩個(gè)外部器件來(lái)傳輸HART信號(hào)。HART調(diào)制解調(diào)器的輸出經(jīng)過(guò)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(huì)影響該電流的“直流”電平。圖10中的電路顯示AD5755如何與HART調(diào)制解調(diào)器接口以實(shí)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(huì)中斷HART信號(hào)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(hù)可以通過(guò)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(gè)HART調(diào)制解調(diào)器通道，但有四路HART輸入可用，每個(gè)通道一路輸入。）當(dāng)使能動(dòng)態(tài)電源控制特性時(shí)，每個(gè)通道需要四個(gè)外部器件：一個(gè)飽和電流約為1A的電感、一個(gè)開(kāi)關(guān)二極管和兩個(gè)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?？偡钦{(diào)整誤差（TUE）典型值為0.01%，其中包括25°C時(shí)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(jì)人員面臨著許多問(wèn)題：如何在提高通道數(shù)量的同時(shí)保持較小的模塊尺寸？如何提高通道數(shù)量并設(shè)計(jì)高能效系統(tǒng)，同時(shí)使系統(tǒng)的自熱效應(yīng)和漂移誤差保持最??？就輸出編程性能而言，如何為客戶(hù)提供最大的靈活性？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(wèn)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(dòng)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(mén)狗定時(shí)器、PEC差錯(cuò)校驗(yàn)及開(kāi)路/短路檢測(cè)和保護(hù)，穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)使它能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作，讓最終用戶(hù)更有信心。AD5755是一款真正的片上系統(tǒng)解決方案。

附錄

有關(guān)四通道DAC AD5755的更多信息

四通道電壓和電流輸出DAC AD57558采用–26V至+33V電源供電。在電流模式下，片內(nèi)動(dòng)態(tài)電源控制功能可以在7V至30V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)器的電壓，使封裝功耗最小。

AD5755采用多功能三線(xiàn)式串行接口，能夠以最高30MHz的時(shí)鐘速率工作，并與標(biāo)準(zhǔn)SPI，?、QSPI?、MICROWIRE?、DSP和微控制器接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。該接口還提供可選的CRC-8分組差錯(cuò)校驗(yàn)功能，以及用于監(jiān)控接口活動(dòng)的看門(mén)狗定時(shí)器。

AD5755具有16位分辨率和單調(diào)性，同一引腳提供電壓或電流輸出，并具有用戶(hù)可編程的失調(diào)和增益、片內(nèi)診斷功能和片內(nèi)5 ppm/°C（最大值）基準(zhǔn)電壓源，工作溫度范圍–40°C至+105°C?？捎秒娏鬏敵龇秶鸀?mA至20mA、4mA至20mA和0mA至24mA±0.05%，可用電壓范圍為0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、±6V和±12V±0.05%。

圖A. 四通道DAC AD5755功能框圖，所有四個(gè)通道完全相同

作者簡(jiǎn)介：

Colm Slattery是ADI公司工業(yè)與儀器儀表部的應(yīng)用工程師。 他最初在ADI做的是測(cè)試開(kāi)發(fā)工程師， 曾在中國(guó)上海工作了3年，負(fù)責(zé)支持精密轉(zhuǎn)換器部的現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)。 任職工業(yè)與儀器儀表部之前，Colm在DAC部門(mén)擔(dān)任產(chǎn)品線(xiàn)應(yīng)用工程師。

責(zé)任編輯：gt