Структура модулей ввода

Рассмотрим типовую структуру модулей ввода аналоговых сигналов на примере серии RealLab! фирмы НИЛ АП [Денисенко]. На рис. 6.4 приведена структура модуля NL-4RTD (pdf 1,2 Мб) серии (RealLab!), однако она является типовой и на ее примере можно рассмотреть базовые принципы построения современных модулей ввода аналоговых сигналов.

Основной частью модуля ввода является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Обычно используют один АЦП для ввода нескольких (обычно 8 или 16) аналоговых сигналов. Для подключения источников сигнала к АЦП используется аналоговый коммутатор на МОП-транзисторах. Ввод нескольких сигналов выполняется последовательно во времени. В случаях, когда необходим одновременный ввод, используют модули, в которых каждый канал имеет свой АЦП.

В модулях ввода обычно используют дифференциальные входы, которые позволяют выполнить более помехозащищенный канал передачи аналогового сигнала по сравнению с одиночными (не дифференциальными) входами. Некоторые модули (например, NL-8AI (pdf 1,2 Мб)) позволяют программно задавать конфигурацию входов: дифференциальные или одиночные.

Входные цепи устройств ввода принято защищать от статического электричества, от повышенного напряжения, от изменения полярности. Для защиты используют специальные микросхемы защиты, в которых активным элементом является МОП-транзисторный ключ. При повышении напряжения выше допустимого ключ запирается, предохраняя чувствительные входы от повышенного напряжения. Измерительные цепи строят таким образом, чтобы сопротивление открытого МОП ключа не вносило погрешность в результат измерения. Для этого ключ используют либо для передачи потенциала, когда ток, протекающий через открытый ключ, пренебрежимо мал, либо для передачи тока, когда информация переносится в форме тока и поэтому падение напряжения на ключе не вносит погрешность в передаваемый сигнал.

Рис. 6.4. Структура модуля NL-4RTD (pdf 1,2 Мб) для ввода сигналов термопреобразователей сопротивления

Модули ввода могут иметь программно переключаемые диапазоны входных сигналов. Например, модуль NL-8TI (pdf 1,2 Мб) фирмы НИЛ АП имеет входные диапазоны ±15 мВ, ±50 мВ, ±100 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±2,5 В, ±20 мА. Диапазоны измерений обычно задаются для всех входов одинаковыми. Модули NL серии RealLab! позволяют для каждого входа задавать свой диапазон измерений.

Современная элементная база позволяет строить недорогие модули аналогового ввода с погрешностью измерений ±0,05%, что еще 10 лет назад можно было реализовать только в стационарных и дорогих вольтметрах.

Для коммутации входных ключей модуля используется программа, исполняемая микроконтроллером. Эта процедура достаточно проста и для ее выполнения можно использовать микроконтроллер, входящий в состав некоторых АЦП (именно такой АЦП использован на рис. 6.4). Это позволяет уменьшить количество каналов гальванической развязки между аналоговыми входами и портом RS-485.

Микропроцессор типового модуля ввода выполняет следующие функции:

o реализует протокол обмена с ПЛК;

o исполняет команды, посылаемые ПЛК в модуль;

o реализует выполнение функций автоматической калибровки, диагностики обрыва или к. з. в цепи датчика;

o преобразует форматы вводимых данных (инженерный формат - в единицах измеряемой величины, шестнадцатеричный формат, проценты от диапазона измерений);

o устанавливает скорость обмена с ПЛК (для ПЛК с распределенными модулями ввода-вывода);

o выполняет цифровую фильтрацию входного сигнала (в модулях RealLab! эта операция выполняется контроллером, встроенным в АЦП).

В постоянной памяти ЭППЗУ модуля хранятся калибровочные коэффициенты, адрес модуля, программа, таблицы линеаризации нелинейных характеристик термопар и термопреобразователей сопротивления. Сторожевой таймер выполняет перезагрузку (сброс) микроконтроллера в случае его зависания.

В модуле ввода на рис. 6.4 имеются каналы вывода дискретных сигналов. Это позволяет реализовать на одном модуле ПИД-регулятор с широтно-импульсным (ШИМ) управлением исполнительным устройством.

Питание внутренних узлов модуля выполняется от внутреннего стабилизатора напряжения, который позволяет подавать внешнее напряжение питания в широком диапазоне, обычно от 10 до 30 В. Большой диапазон напряжений питания очень полезен в распределенных системах, когда модули ввода могут находиться на значительном расстоянии друг от друга и поэтому падение напряжения на сопротивлении проводов питания достигает 10...20 В.

Цепи питания модулей защищаются от неправильной полярности напряжения питания и от превышения напряжения питания над допустимым значением. Защита выполняется диодами, стабилитронами, позисторами и плавкими предохранителями.

а)

а)

Рис. 6.5. Потенциальный одиночный (а) и дифференциальный (б) вход

Для интерфейса RS-485 используется защита от статического электричества, от электромагнитных импульсов, от короткого замыкания и перегрева выходного каскада. Дополнительно в модулях RealLab! сделана защита на позисторах и стабилитронах от повышенного напряжения в линиях связи.