تستمر أنظمة التحكم الصناعية في الاعتماد على الإشارات التناظرية القياسية لنقل البيانات بين معدات المعالجة والتحكم. يمكن لإشارات حلقة التيار المستقرة من 4 إلى 20 مللي أمبير أن تجتاز آلاف الأقدام بسهولة، في حين أن إشارات ±5 و±10 فولت شائعة أيضًا في الأنظمة الصناعية.
تعرض مذكرة التطبيق هذه حلول نظام الحصول على البيانات المتكامل (DAS) الخاص بشركة Maxim. تعمل حلول Maxim's DAS على توفير مساحة اللوحة واستهلاك الطاقة ووقت التصميم أثناء تحويل الإشارات التناظرية الصناعية القياسية بأقل قدر من المكونات الخارجية.
مقدمة
على الرغم من الإصدارات المتعددة من ناقلات المجال الرقمية، تستمر أنظمة التحكم الصناعية في الاعتماد على الإشارات التناظرية القياسية لنقل البيانات بين معدات المعالجة والتحكم. على سبيل المثال، تعمل أجهزة إرسال العمليات في المصانع الكيميائية على تحويل إشارات الضغط ودرجات الحرارة المنخفضة-إلى إشارات حلقة تيار ثابتة تتراوح من 4 إلى 20 مللي أمبير يمكنها الانتقال بسهولة لآلاف الأقدام.
Speed and position sensors for machine tools and automated guided vehicles in factory automation environments generate unipolar and bipolar voltage signals, typically ranging from 0V to 5V, 0V to 10V, ±5V, or ±10V. Additionally, signals from commonly used PT100 temperature sensing elements often require no conversion and can be directly utilized within standard ranges, such as 10V or 20mA. As RTDs (Resistance Temperature Detectors) made from platinum (Pt), PT100s exhibit a resistance of 0Ω at 100°C. Their resistance exhibits a linear relationship with temperature and provides a relatively high output signal level (>1mV عندما يقودها مصدر تيار 100mA).
يتم تنفيذ وظائف التحكم داخل بيئة العملية بواسطة PLCs (وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة)، أو PCSs (أنظمة التحكم في العمليات)، أو (مؤخرًا) IPCs (أجهزة الكمبيوتر الشخصية الصناعية). نظرًا لأن هذه الأجهزة عبارة عن أنظمة رقمية تقوم بتشغيل برامج -عملية معينة، فيجب تحويل جميع الإشارات التناظرية إلى إشارات رقمية قبل أن يتمكن الكمبيوتر من قراءتها.
يتم إجراء التحويل A/D داخل أنظمة التحكم بواسطة لوحات أو صناديق تسمى "الأجهزة الطرفية التناظرية". وتتصل هذه بوحدة المعالجة المركزية (CPU) عبر ناقل اللوحة الإلكترونية المعززة أو ناقل المجال الخاص بالنظام عند تثبيتها عن بعد (على سبيل المثال، على الآلات). بالإضافة إلى الدوائر الرقمية (لاتصالات وحدة المعالجة المركزية)، تتضمن هذه الأجهزة الطرفية العديد من مكونات الإشارة التناظرية والمختلطة الدقيقة. تؤدي الحاجة إلى المزيد من القنوات لكل لوحة أو حزم أصغر (لتركيب الجهاز) إلى قيود المساحة والطاقة، مما يمثل تحدي التصميم الأساسي للأجهزة الطرفية التناظرية. توضح الدائرة التالية تقنيات تكييف الإشارة وتصف طريقة لرقمنة ما يصل إلى ثماني قنوات باستخدام شريحة واحدة.
نظام الحصول على البيانات
يشتمل نظام الحصول على البيانات المتقدم (الشكل 1) على معدد إرسال (mux) للتبديل بين قنوات الإدخال، ودائرة تكييف الإشارة التي توفر ضبط الكسب والإزاحة لنطاقات الإدخال المختلفة، ومحول رقمي تناظري - إلى - (ADC) مع جهد مرجعي (VREF).
الشكل 1. يوضح هذا الرسم البياني المكونات الأساسية لنظام الحصول على البيانات.
حلول داس المتكاملة
من خلال دمج الوحدات الأساسية الموضحة في الشكل 1، قام مكسيم بتطوير سلسلة من أنظمة الحصول على بيانات الشريحة الواحدة- التي توفر مساحة اللوحة واستهلاك الطاقة ووقت التصميم. تتطلب هذه الرقائق الحد الأدنى من المكونات الخارجية (لا شيء في بعض الحالات) ويمكنها تحويل معظم الإشارات القياسية المستخدمة حاليًا. يشتمل كل جهاز على ADC 12 بت، ومضاعف، وتصحيح الكسب/الإزاحة، ويتميز بواجهة رقمية تسلسلية أو متوازية لسهولة الاتصال بمعظم المعالجات الدقيقة.
يوضح الرسم التخطيطي التالي (الشكل 2) التكوين النموذجي لهذه السلسلة. تكمن الاختلافات الأساسية في القسم الرقمي المتصل بالمعالج الدقيق. توفر كل شريحة 16 أو 5 قنوات إدخال تناظرية فردية - متصلة بـ ADC الداخلي عبر أجهزة إرسال متعددة محمية من الأخطاء. يمكن لأي قناة أن تتحمل جهد الإدخال حتى<>.<>V، ولا يؤثر أي خطأ في أي قناة على التحويلات على أي قناة أخرى.
الشكل 2. تم دمج الوظائف الموضحة في الشكل 1 في هذه الشريحة.
يمكن برمجة كل قناة بشكل مستقل لنطاق الإدخال القياسي (0 إلى 5 فولت، أو 0 إلى 10 فولت، أو ±5 فولت، أو ±10 فولت) أثناء تشغيلها بمصدر إمداد واحد بجهد 5 فولت. تتميز الأجهزة الأخرى بهياكل كسب مماثلة ولكنها تقبل نطاقات إدخال مختلفة: أحادي القطب أو ثنائي القطب 2V أو 4V، أو VREF أحادي القطب أو ثنائي القطب أو -VREF. تعمل إمكانية تغيير الكسب بمقدار 100x مع إزاحة الإدخال بنسبة 10% (من -10 فولت إلى +2V) على توسيع النطاق الديناميكي بمقدار 14 بت، مما يؤدي إلى إنشاء أنظمة ذات<>النطاق الديناميكي -بت.
إن ADC الداخلي هو نوع تقريبي متتابع 12 بت يعتمد على DAC سعوي، حيث تعمل سعة MSB أيضًا كمكثف تعليق في دائرة العينة/التعليق. يمكن لكل جهاز أن يعمل إما باستخدام المذبذب الداخلي أو الساعة الخارجية.
تستخدم أجهزة MAX196 إلى MAX199 نبضات /WR لبدء الاستحواذ وإيقافه، مما يوفر أوقات اكتساب طويلة نسبيًا في "وضع الاستحواذ الخارجي" دون إبطاء سرعة التحويل. تأخير الفتحة القصيرة للجهاز وارتعاش الفتحة المنخفض (<50ps in external clock/acquire mode) enable precise control of acquisition timing. This capability is critical for phase-sensitive applications such as power line control and AC motor control. Additionally, the chip's wideband input architecture provides up to 5MHz small-signal bandwidth, allowing undersampling techniques beyond the Nyquist frequency.
الواجهة الرقمية
يتم تقديم التطبيقات التي تتطلب قياسات عالية السرعة-بشكل أفضل من خلال واجهات البيانات المتوازية (من MAX196 إلى MAX199). تحقق هذه الأجهزة إنتاجية تبلغ 2 كيلو ثانية في الثانية بمعدل ساعة 100 ميجا هرتز، وهو ما يكفي لمعظم حلقات التحكم في السرعة العالية. بالنسبة للتطبيقات ذات السرعة المنخفضة-، توفر إصدارات الواجهة المتوافقة مع I²C-مساحة اللوحة وتبسط الاتصال بين DAS ووحدات التحكم الدقيقة. تتميز هذه الأجهزة بأوقات تحويل سريعة (10μs)، لكن الواجهة التسلسلية تحد من إنتاجيتها إلى 8 كيلوبت في الثانية.
على سبيل المثال، يقبل MAX197 مدخلات من 0 فولت إلى 10 فولت، ومن 0 فولت إلى 5 فولت، و±5 فولت، و±10 فولت. تعد مقاومة المصدر التي تحرك هذه المدخلات مصدر قلق رئيسي للمستخدمين. أثناء أخذ العينات، يرسم ADC نبضة حالية لشحن مكثف T/H الخاص به (مكثف MSB لمحولات DAC السعوية). ولذلك، يلزم وجود مضخم تشغيلي-سريع التثبيت بمعدل تدفق كافٍ لضمان ضبط الجهد الكهربي أثناء الاستحواذ. تعمل مكبرات الصوت التشغيلية MXL1013/MXL1014 بشكل جيد في تحقيق معدلات أخذ العينات السريعة. بالنسبة لمكبرات الصوت التشغيلية الأبطأ، يجب تمديد وقت الاستحواذ.
تعتبر المدخلات التفاضلية المستخدمة في العديد من أنظمة التشغيل الآلي غير حساسة نسبيًا لتداخل الوضع الشائع-. في معظم الحالات، تكفي دائرة مضخم تفاضلي بسيط (الشكل 3) بممانعة دخل تتجاوز 1MΩ. (للحصول على مقاومة دخل أعلى، استخدم مضخم تشغيل قياسي 3-مضخم تشغيلي).) الخرج الموضح في الشكل 3 هو
فوت=R2(V+ - V-) / R1.
بالنسبة لرفض الوضع الشائع-، اضبط R1=R3 وR2=R4. كسب المجموعة الموضحة هو 0.876، مما يزيد من نطاق الإدخال ± 10 فولت بنسبة 114% تقريبًا لقياس الإشارات خارج النطاق. يؤدي هذا التعديل إلى تقليل دقة النطاق ± 10 فولت إلى 11.8 بت تقريبًا.
الشكل 3. يوفر المضخم التفاضلي البسيط مقاومة دخل عالية وخرجًا فرديًا -.
20mA الحلقة الحالية
تنقل الحلقات الحالية إشارات صغيرة عبر مسافات طويلة في البيئات الصاخبة. يتم إنشاء التيار عادةً بواسطة جهاز إرسال العملية، والذي يحول المتغيرات مثل درجة الحرارة أو الضغط إلى تيار مباشر ضمن نطاق 0 مللي أمبير إلى 20 مللي أمبير أو 4 مللي أمبير إلى 20 مللي أمبير. ثم يتدفق التيار عبر مقاومة التحويل، مما يؤدي إلى انخفاض جهد متناسب يمكن رقمنته بسهولة. نظرًا لأن الجهد المتوافق المتوفر لتشغيل الحلقة-بما في ذلك مقاومة السلك-نادرًا ما يتجاوز 15 فولت إلى 18 فولت، فإن قيمة المقاوم تقتصر على بضع مئات من الأوم (الشكل 4).
الشكل 4. يؤدي دمج مكبر الصوت الموضح في الشكل 3 مع إشارة الحلقة الحالية المشتقة من مقاومة التحويل 220Ω إلى إنتاج مخرج واحد مناسب -.تتميز هذه الدائرة بنفس مكبر الصوت التفاضلي الموجود في دائرة التكييف ± 10 فولت، بالإضافة إلى مقاومة تحويلية 220 أوم. يُظهر هذا المقاوم انخفاضًا في الجهد قدره 4.20 فولت عند 4 مللي أمبير و 5.25 فولت عند 5 مللي أمبير. يتم ضبط كسب مكبر الصوت التفاضلي عند دخل ADC بحد أقصى 4.62 فولت. لذلك، يمكن لنظام DAS المبرمج لإدخال 0.5 فولت رقمنة هذه الإشارة بدقة قصوى تبلغ 11.8 بت.
نظرًا لأن MAX198/MAX199 وMAX128 لديهما أصغر نطاق إدخال في هذه السلسلة، فإنهما يعملان بمقاوم تحويل صغير دون الحاجة إلى تعديل الكسب. وهذا يجعلها أكثر ملاءمة لقياسات 10 مللي أمبير في الأنظمة التي لا تتطلب قياسات أخرى عالية المستوى - (تصل إلى ±20 فولت). لتكييف الدائرة الموضحة في الشكل 4 للاستخدام مع MAX199، قم بتكوين MAX199 لنطاق إدخال من 0 إلى 2 فولت وقم بتغيير المقاوم 536 كيلو أوم إلى 470 كيلو أوم. استخدم 86Ω مقاومة التحويل.
التكيف مع أجهزة الاستشعار
توفر المزدوجات الحرارية وأجهزة قياس الضغط وأجهزة الاستشعار الشائعة الأخرى إشارات غير خطية ذات مستوى منخفض وحساسة للتداخل الكهرومغناطيسي. لذلك، قبل إرسال هذه المعلومات إلى نظام التحكم، يقوم جهاز إرسال 4-20 مللي أمبير أولاً بضبط الإشارة خطيًا وتكييفها. بالنسبة لتطبيقات قياس درجة الحرارة الأقل أهمية، يمكن لأجهزة كشف درجة الحرارة المقاومة (RTDs) قياس درجات حرارة تصل إلى 850 درجة على مسافات طويلة دون الحاجة إلى تكييف الإشارة باهظ الثمن.
جهاز استشعار درجة الحرارة RTD الأكثر شيوعًا هو مستشعر درجة الحرارة البلاتيني القياسي المعروف باسم PT100، والذي يتميز بمقاومة تبلغ 0Ω عند 100 درجة ومعامل درجة حرارة خطي يبلغ 0.38Ω/درجة. كما أنه يُظهر أيضًا معامل درجة حرارة غير خطي أصغر، مما يجعل خصائصه Ω/ درجة خطية تقريبًا على نطاق ضيق. على عكس المزدوجات الحرارية، حيث يمثل خرج الجهد فرق درجة الحرارة بين نقطتين، فإن مقاومة RTD تمثل مباشرة درجة الحرارة المطلقة للمستشعر.
يتم تحقيق القياس عن طريق دفع تيار من 1 مللي أمبير إلى 2 مللي أمبير عبر المستشعر وقياس انخفاض الجهد عبر أطرافه. تؤدي التيارات العالية إلى حدوث أخطاء في القياس بسبب التسخين الذاتي- الناتج عن زيادة تبديد الطاقة داخل المستشعر. يبسط مرجع داخلي 4.096V توليد تيار إثارة المستشعر (الشكل 5).
الشكل 5. توفر هذه الدائرة التيار لمستشعر RTD وتقوم برقمنة الإخراج الناتج.
لمنع مقاومة الأسلاك من التأثير على دقة القياس، تقوم أربعة أسلاك مستقلة بتوصيل RTD بالمضخم التفاضلي. نظرًا لأن أسلاك الاستشعار متصلة بمدخل المعاوقة العالية-لمكبر الصوت، فإن تيارها منخفض جدًا، مما يؤدي إلى انخفاض لا يُذكر في الجهد. يقوم الجهد المرجعي 4096 مللي فولت ومقاوم التغذية المرتدة 3.3 كيلو أوم بتعيين تيار الإثارة إلى حوالي 4096 مللي فولت/3.3 كيلو أوم=1.24 مللي أمبير. وبالتالي، فإن قيادة كل من ADC والمصدر الحالي بنفس الجهد المرجعي يتيح قياس النسبة حيث لا يؤثر انحراف الجهد المرجعي على نتيجة التحويل.
قم بتكوين MAX197 لنطاق إدخال من 0 فولت إلى 5 فولت واضبط كسب مكبر الصوت التفاضلي على 10 لقياس قيم المقاومة حتى 400 أوم، وهو ما يمثل 800 درجة تقريبًا. يمكن للمعالج الدقيق أن يجعل إشارة المستشعر خطية باستخدام جدول البحث. لمعايرة النظام، استبدل RTD بمقاومتين دقيقتين (100Ω تمثل صفر، 300Ω أو أعلى تمثل النطاق الكامل) وقم بتخزين نتائج التحويل.
بدلاً من تخصيص دوائر محددة لنطاقات إدخال معينة، تقوم الدائرة الموضحة في الشكل 6 بتكييف مدخلات ADC لاستيعاب أي نطاق إشارة تم وصفه مسبقًا. يتيح تحديد دبوس الإدخال ونطاق إدخال ADC (الجدول 1) اختيار التكوين المناسب.
الشكل 6. تعمل دائرة الإدخال العالمية هذه على تكييف ADC مع نطاق الإشارة في كل قناة إدخال.