摘要：工業生產過程自動化系統中，存在多種類型的電氣干擾，工業現場儀表在設計上要考慮各電氣端口的干擾處理，這里針對工業儀表的模擬信號輸入輸出端口的信號抗干擾處理推薦了隔離變送器的解決方案，針對工業儀表的通信總線接口的抗干擾處理推薦了總線隔離收發器的解決方案。

 關鍵字：傳感器信號、信號隔離、隔離放大器、隔離變送器、總線隔離收發器、485、CAN 

一、引言 

 生產過程監視和控制要用到多種自動化儀表、計算機及相應執行機構。過程中的信號既有微弱到毫伏級的小信號,又有數十伏的大信號，甚至還有高達數千伏、數百安培的信號要處理。從頻率上講，有直流低頻范圍的，也有高頻/脈沖尖峰。設備儀表間的互相干擾就成為系統調試中必須要解決的問題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設備儀表的“地”，即信號參考點的電位差，將成為重要課題。因為不同設備、儀表的信號要互傳互送，那就存在信號參考點問題。換句話說，要使信號完整傳送，理想化的情況是所有設備儀表的信號有一個共同的參考點，即所有設備儀表信號的參考點之間電位差為“零”。但是在實際環境中，這一點幾乎是不可能的，這里面除了各個設備儀表“地”之間的連線電阻產生的電壓降之外，尚有各種設備儀表在不同環境受到的干擾不同，以及導線接點經受風吹雨淋導致接點質量下降等諸多因素，致使各個“地”之間有差別。 

 工業現場儀表在工業生產過程控制系統中，既需要監視前端傳感器傳遞的電信號，同時也需要將處理后的信號傳遞給控制中心主機，為了信號傳輸的可靠與穩定，必須要考慮各信號端口的隔離處理，以消除儀表接入系統后的地電位差問題。 

二、工業現場儀表的一般構成 

 工業現場儀表應用于工業生產過程控制系統中，其作用是，采樣現場傳感器信號，根據預設定的算法，計算采樣值獲得實際現場被監視物理量的值，并將實際現場物理狀況通過通信總線或者4~20mA電流信號輸出到主控制中心。其一般的系統構成圖如下圖所示。 

 圖1 

 從上圖可以看到，傳感器信號輸入到工業儀表，首先是EMC防護電路，因工業現場的電氣環境復雜，存在強電設備（如大功率電機）、高頻開關設備（如變頻器），這些設備在啟停動作時會產生較大的浪涌及尖峰脈沖，這類的干擾包含比較大的能量，通過EMC防護器件，如壓敏電阻、TVS管等器件吸收這類干擾，保護后級的電路不會因這類干擾造成損壞。傳感器信號經EMC防護電路后輸入到輸入端的隔離放大器進行信號的隔離、調理，信號隔離能保證儀表內部電路與外部傳感器形成地線阻斷，消除共模干擾，從而消除地電位差引起的地線環流，一方面可以確保傳感器信號的采樣精度不受干擾的影響，一方面可以保護內部MCU系統不會因大的共模電壓造成器件的損壞；信號調理，通過信號類型的轉換及信號放大將傳感器信號線性放大成滿足ADC采樣的信號類型及范圍，保證調理后的信號范圍和ADC信號輸入范圍匹配，從而保證ADC采樣精度。MCU將經過ADC數字量化后的傳感器信號進行數字運算，經過數字濾波，線性化運算等一系列的運算后獲得現場物理量的實際狀況，然后輸出到顯示面板，同時將獲得的現場物理量值按照線性比例輸出到DAC電路，DAC電路輸出電壓信號，要想形成4~20mA電流信號，還需要經過輸出端的隔離放大器將電壓信號隔離調理成4~20mA的電流信號輸出。當然信號輸出端也需要設計EMC防護電路。 

 工業智能儀表一般都帶有通信接口，目前常見的有485通信接口，CAN通信接口，可以通過通信總線直接將現場物理量值以數字方式上傳，同時還能通過總線接口完成如儀表參數設置、儀表運行狀態查詢、儀表的自校準等工作。485通信、CAN通信采用的都是差分信號通信，本身有較強的抗干擾能力，但通信接口IC能承受的共模輸入電壓范圍都有限，尤其是485的接口IC，一般在-7V~+12V之間，在較長距離的通信中，地電位差形成的共模干擾很容易造成通信接口IC的損壞，所以通信接口也必須進行隔離設計，以提高系統可靠性。 

三、隔離變送器的應用 

 針對工業現場儀表的模擬信號的輸入輸出端口的隔離調理設計，廣州金升陽科技有限公司推出了專門的解決方案。 

 1、輸入型隔離變送器TE_N系列

 輸入型隔離變送器的原理框圖如圖3所示。

圖2

 該系列產品具有以下特點：

 ● 內部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，簡化用戶電源配置設計

 ● 多種信號類型的隔離轉換

 ● 高精度等級（0.1%F.S.）

 ● 小體積：DIP封裝（26*9.5*12.5mm），超小的占板面積，可靠的焊接可靠性

 ● 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃

 ● 調節功能：信號滿度調節及零點調節

 輸入型的隔離變送器產品針對模擬信號的輸入端口設計，產品內部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，產品的供電端與信號輸出端共地，可以很方便的從MCU系統側取電，簡化了用戶電源配置設計；TE_N產品具有很高的傳輸精度，出廠精度為0.1%FS，并且帶有滿度調節和零點調節引腳，當產品應用于系統中，系統中的其它部分的信號線性度需要調整時，可以很方便的通過TE_N產品滿度調節和零點調節引腳實現；TE_N產品的小體積可以滿足工業儀表小體積的需求，并且采用雙列直插的引腳排布方式，有著良好的焊接可靠性及抗振性能；TE_N產品在信號輸入側還提供一組隔離電源輸出，與信號輸入端共地，當隔離變送器無法滿足實際轉換調理需求時，可以利用隔離電源搭建簡單的信號調理電路，滿足實際調理需求；TE_N系列產品可以提供工業常規信號（0~20mA、4~20mA、0~5V、0~10V）的相互隔離轉換，還可以為客戶的實際量程定制相應的輸入輸出量程范圍，還可以提供常規的24V、15V、12V、5V等多種電源范圍的產品。具有高精度、小體積、低功耗、低成本等特點。 

圖3：輸入型隔離變送器原理框圖

 2、輸出型隔離變送器TF_N系列

 輸出型隔離變送器的原理框圖如圖5所示。

圖4

 該系列產品具有以下特點： 

● 內部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，簡化用戶電源配置設計
       ● 多種信號類型的隔離轉換
       ● 小體積：DIP封裝（26*9.5*12.5mm），超小的占板面積，可靠的焊接可靠性
       ● 高精度等級（0.1%F.S.）
       ● 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃ 
       ● 調節功能：信號滿度調節及零點調節 
       工業儀表一般需要將采集到的物理量信號轉換成0~20mA或4~20mA 的信號輸出，達到遠傳給主控制中心的目的。TF_N系列輸出型隔離變送器產品專門針對這種模擬信號的隔離轉換輸出的應用而設計。其產品的供電端與信號輸入端共地，可以很方便的從信號輸入端取電，產品的輸出側就是所需要的隔離4~20mA信號，無需其它附加電路。與TE_N系列輸入型的隔離變送器的產品功能及特點類似，同樣也具有高精度、小體積、低功耗、低成本等特點。 

圖5：輸出型隔離變送器原理框圖 

四、總線隔離收發器的應用

 在工業現場總線中，485總線，具有設計簡單，抗干擾性強，成本低等優勢；CAN總線，具有傳輸速率高，抗干擾性強，先進的總線仲裁機制，優秀的總線故障檢測及故障自鎖功能等優勢；兩種總線都可以采用低廉的雙絞線介質進行遠距離通信傳輸，被工業儀表廣泛采用。針對這兩種常用總線的端口隔離設計，廣州金升陽科技有限公司也推出了集成解決方案。 

 1、485總線隔離收發器TD501D485H，CAN總線隔離收發器TD501DCAN 

 485總線隔離收發器TD501D485H其應用接線圖如圖7所示；CAN總線隔離收發器TD501DCAN應用接線圖如圖8所示。該系列產品是針對傳統的485總線及CAN總線端口隔離設計方案進行了電源優化，端口靜電防護等級優化而推出的集成產品。該系列產品具有以下功能特點： 

● 內部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，簡化用戶電源配置設計
       ● 集成化，小體積，低功耗
       ● 更高的端口靜電防護能力 
       ● 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃
       ● 完整的EMC防護電路推薦

 TD系列的總線隔離收發器，在電源設計上，針對實際通信的電源消耗作了優化設計，能夠在保證通信質量的同時，保證功耗更低；并且針對傳統的光耦進行數字隔離的電路作了優化與嚴格的設計測試，保證數字隔離傳送在整個高低溫工作范圍內傳輸可靠，并且設計中考慮了光耦的長期工作的CTR衰減問題，保證了設計的長期可靠性；在整體結構設計上，保證了小體積的同時，更確保更小的占板面積，滿足工業儀表小體積的需求；另外，考慮到工業環境的電氣復雜性，在產品技術手冊上有完整的EMC防護電路推薦，以簡化客戶實際的端口設計。 

圖7：485隔離收發器應用接線圖

圖8：CAN隔離收發器應用接線圖 

五、小結

 隨著工業儀表的智能化程度越來越高，功能越來越多，在整個產品的整體設計上要考慮的問題也越來越多，如，電源配置、MCU系統設計、顯示及人機界面設計、軟件算法、通信協議等等，端口的電氣可靠性設計往往會被設計者所忽略，以上推薦的幾種端口設計的集成化產品，可以大大簡化工業儀表的端口電氣可靠性設計，從而縮短工業儀表開發周期，提高系統可靠性。