HK模塊在兩線制以及HART隔離傳輸中的應(yīng)用

摘要：

兩線制信號及HART傳輸應(yīng)用中，因接地回路問題，不同的地電勢產(chǎn)生回路電流從而引入共模干擾，產(chǎn)生4-20mA信號的傳輸誤差，或造成HART通訊的中斷等，更有甚者造成設(shè)備端口器件損壞。使用有效的電氣隔離方法，形成兩線制信號及HART的隔離傳輸應(yīng)用，解決上述所述問題，提高系統(tǒng)可靠性。

信號傳輸中的接地回路問題及地電勢差異

儀表電路中可能導(dǎo)致出現(xiàn)接地回路的原因很多。當(dāng)信號傳輸和接收裝置連接到不同的接地點(diǎn)或不同的電源時(shí)，都會出現(xiàn)對地回路，這在長距離電纜傳輸時(shí)很常見。它們也可能是由于設(shè)備的金屬外殼與地面發(fā)生了物理接觸而產(chǎn)生的。接地回路導(dǎo)致了一個(gè)不被人注意的電氣回路，從而產(chǎn)生了一個(gè)誤差源。

由于無法在信號的接收端通過簡單的觀測來測定信號的精度，因此不同接地電位產(chǎn)生的對地環(huán)流將為信號回路引入無法檢測的誤差。

在沒有做信號隔離的兩線制信號傳輸中，存在著這些接地回路導(dǎo)致的信號誤差問題。

在某些情況下，雷電、浪涌等信號會隨著長線加載在信號線上，損壞端口上的調(diào)制或檢測器件。

在另外一種情況下，兩個(gè)器件的端口參考的地電勢不同，可能會造成端口電壓的超標(biāo)，從而損壞器件端口。

非隔離的兩線制信號傳輸方式

圖一的電路中，傳感器的信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)MCU發(fā)送給電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器，形成4-20mA的信號輸出，電流環(huán)DAC從PLC輸出的4-20mA總線上取電，經(jīng)內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器輸出3.3V及2.5V，給MCU及HART調(diào)制器提供少量的電源。

圖一的這種傳輸方式，兩線制儀表與遠(yuǎn)端的PLC的接地電勢存在電勢差，從而引入共模干擾，這種干擾會引起4-20mA信號的傳輸誤差，也會影響HART總線的正常通訊；如果共模干擾過大（超過了內(nèi)部器件的共模電壓允許范圍），甚至造成兩線制儀表內(nèi)部的器件損壞。

隔離兩線制信號傳輸方式

基于上述因地電勢不同而存在的隱患，可以用數(shù)字隔離的方式將MCU與電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器進(jìn)行隔離，電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器屬浮地形式，使得兩線制儀表與PLC系統(tǒng)兩個(gè)地電勢之間形成高阻抗，降低地線之間的回路電流，形成兩個(gè)設(shè)備間的電氣隔離，從而降低了4-20mA信號的傳輸誤差，同時(shí)消除了共模干擾的隱患。

因?yàn)閮删€制儀表沒有額外的供電端口，其供電都是通過4-20mA環(huán)路取電，采用這種隔離方式后，HART調(diào)制器的2.5V電源仍然從電流環(huán)DAC上內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器獲得，而MCU系統(tǒng)的3.3V供電就成了一個(gè)難題。一種較好的解決方案是，在4-20mA電路中如圖二所示串接一個(gè)穩(wěn)壓二極管，再用廣州金升陽科技有限公司的HK模塊，隔離輸出3.3V，給MCU系統(tǒng)供電。

這樣，利用金升陽的HK模塊及數(shù)字隔離電路，即可實(shí)現(xiàn)兩線制儀表與PLC系統(tǒng)的電氣隔離，避免了因地電勢影響造成的系統(tǒng)測量誤差及設(shè)備損毀，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性。

可選擇的金升陽HK模塊型號如下表：