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信號(hào)調(diào)理器——專為基于PC的控制

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作者:C.G.Masi 時(shí)間:2008-05-27 來源:嵌入式系統(tǒng) 收藏
在控制領(lǐng)域,相位往往代表了信號(hào)與對(duì)應(yīng)操作之間的臨時(shí)關(guān)系。電路引入的相位變化與控制回路其它部分引起的相位變化之間存在密切的關(guān)系,可能引起自激振蕩以及其它的回路動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。
  除此之外,電路還涉及到阻抗匹配、參考電位以及接地點(diǎn)電位方面的問題。
  Dataforth 公司主管市場(chǎng)營(yíng)銷的副總裁Bob Smith說:“如果控制工程師把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)從傳感器直接傳送到PC機(jī)數(shù)據(jù)采集卡上,他就要承擔(dān)很大的風(fēng)險(xiǎn)。這樣的傳送很可能引入危險(xiǎn)電壓。工廠使用的電壓可能高達(dá)440V。因此,我們需要在模塊中引入隔離器、傳輸保護(hù)器以及過壓保護(hù)式濾波器。”

  他還說:“信號(hào)調(diào)理模塊需要消除的另一個(gè)現(xiàn)象是接地點(diǎn)回路。隔離器能夠切斷任何一條接地點(diǎn)回路。”
  線性化也是我們需要考慮的一個(gè)問題。傳感器利用某個(gè)物理量的變化產(chǎn)生電信號(hào)。例如,金屬絲受到拉伸作用后,其電阻值會(huì)發(fā)生變化。我們可以利用這一現(xiàn)象來測(cè)量應(yīng)力大小。一般來說,被測(cè)物理量的變化量與電信號(hào)的變化量之間基本呈線性關(guān)系。但是,單純的線性傳感器往往不能滿足控制方面的實(shí)際要求。大多數(shù)情況下,測(cè)量環(huán)節(jié)需要作二階甚至三階的非線性誤差修正。
  Smith說:“在信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)就進(jìn)行線性化修正的優(yōu)點(diǎn)在于:不必占用PC寶貴的時(shí)間進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算(諸如泰勒級(jí)數(shù)展開之類)或查表修正。”
  Keithley Instrument主管數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的市場(chǎng)總監(jiān)Chuck Cimino說:“我一直很重視單位轉(zhuǎn)換。當(dāng)你實(shí)際使用一個(gè)控制時(shí),你希望得到的可能是溫度值、壓力值和流量值,而不是電壓值。難道你能夠通過心算把多少毫伏相應(yīng)轉(zhuǎn)換為多少攝氏度嗎?你會(huì)需要系統(tǒng)為你作這樣的換算。”
  他還說:“濾波器的地位十分重要。因?yàn)樵S多信號(hào)中包含了多余的頻率成分。例如,接近度傳感器會(huì)傳送出輕微抖動(dòng)引起的信號(hào)。”
  因此,一個(gè)常規(guī)的信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)可能包括:
  ■ 電路隔離器——典型的就是光隔離器,通過把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),再轉(zhuǎn)換回電信號(hào),從而達(dá)到切斷接地點(diǎn)回路以及限制跳變電壓的目的;
  ■ 一個(gè)或多個(gè)放大器,用來調(diào)整傳感器信號(hào)的幅值(包括線性化),同時(shí)滿足阻抗、參考電位以及接地點(diǎn)電位方面的要求;
  ■ 一個(gè)或多個(gè)濾波器,用來限制電磁波的頻率;
  ■ 最后還需要一個(gè)激勵(lì)源。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/83142.htm


信號(hào)調(diào)理模塊包括了針對(duì)特定傳感器而設(shè)計(jì)的隔離器、放大器、濾波器以及激勵(lì)源。

  配置方案
  Padhye說:“現(xiàn)在,雖然新推出的產(chǎn)品已經(jīng)開始將信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊整合在一套設(shè)備中了,但是我們?nèi)匀豢梢圆少彽綄S玫男盘?hào)調(diào)理模塊。這兩種配置方案分別針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。兩者各有優(yōu)勢(shì),也都是很常用的。針對(duì)信號(hào)數(shù)目龐大的系統(tǒng),可以讓每一組信號(hào)先經(jīng)過調(diào)理,然后接入多路復(fù)用器的一個(gè)信道,再傳送入數(shù)據(jù)采集模塊。采用這種方案雖然無法達(dá)到很快的信號(hào)處理速度,但是可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。”
  Nelson說:“我們要做的事情就是借助于一張符合Profibus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的PCI卡,把信號(hào)傳送到標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出(I/O)子系統(tǒng)。”
  Dataforth的Smith說:“大多數(shù)系統(tǒng)都被安裝在符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱機(jī)柜內(nèi),從而得到有效的保護(hù)。信號(hào)調(diào)理模塊一般會(huì)被安裝在這些機(jī)箱機(jī)柜的輸入端(DIN)的金屬框上。”
  在過去幾年中,歐洲地區(qū)首先開始把信號(hào)調(diào)理模塊安裝在金屬框上,隨后,這種做法在美國(guó)也得到了推廣。金屬框可以放在貼近平板或墻面的位置。信號(hào)調(diào)理模塊的外殼一般是用耐高溫塑料制成的,還有一個(gè)特殊的底邊,可以粘在金屬框架上。每一個(gè)這樣的模塊都會(huì)有一組導(dǎo)線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連,還有另一組導(dǎo)線與DAQ的輸入端相連。據(jù)Smith 介紹:“在把模塊安裝到金屬框上的整個(gè)過程中,理清這些導(dǎo)線可以說是最令人頭痛的工作了。”
  另一種流行的信號(hào)調(diào)理電路配置方案是Smith所說的“插座式”模塊。信號(hào)調(diào)理電路被封裝在一個(gè)長(zhǎng)度和寬度各為1英寸,厚度為1/2英寸的塑料殼體內(nèi)。殼體的底部有連接電路板(背板)的插孔。一塊背板一般包括了2組、4組、8組或16組信道。與計(jì)算機(jī)連接的導(dǎo)線通過后面板上的印刷電路連接到接口。如果要把信號(hào)調(diào)理模塊連到DAQ的輸入端,只要把連接導(dǎo)線的一端插入這個(gè)接口,另一端插入DAQ卡的輸入接口就可以了。
  第三種強(qiáng)大的配置方案是所謂的主機(jī)箱模式。機(jī)箱上提供了信號(hào)線、冷卻裝置以及電源接口,信號(hào)調(diào)理模塊只要直接插入這些接口就可以使用了。計(jì)算機(jī)總線架構(gòu)可以通過諸如VXI、ComtPCI、PXI之類的各種標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展成為與外接設(shè)備兼容的形式。名稱中含有“XI”的標(biāo)準(zhǔn)是基于標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)總線的,同時(shí)還提供了一些附加功能。例如,觸發(fā)線就是儀器系統(tǒng)所需要的附加功能。具體來說,VXI是VMEbus的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn),而PXI是PCIbus的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。
  Smith說:“信號(hào)調(diào)理模塊可以形成一組陣列。如果他們沒有被封裝在一個(gè)模塊里,我很樂意把它們稱為‘面包片’。它們是一種前面板很空的電路模塊,前面板上可能只有一個(gè)電源指示燈或一些為工程師提供的測(cè)試點(diǎn)。”
  信號(hào)調(diào)理模塊一般都會(huì)為與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接提供接口,從而為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供極大的便利。如果要斷開與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接,你就不必把整個(gè)模塊從機(jī)箱上拆下來了。
  Keithley的Cimino指出:“現(xiàn)在的PXI分為USB與FireWire兩種形式,而LXI同時(shí)是設(shè)備和數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。LXI其實(shí)就是在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議上增加了定時(shí)處理以及另一些測(cè)量程序。”
  據(jù)Cimono說,基于舊版的通用設(shè)備總線(GPIB)的設(shè)備仍然占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備9

 
0%左右的銷售額,這是很令人驚訝的。GPIB又名IEEE-488,是在60年代后期由惠普開發(fā)的,當(dāng)時(shí)被命名為“HPIB”。它在1975年經(jīng)過美國(guó)電氣及電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)批準(zhǔn),成為了一個(gè)國(guó)際性的標(biāo)準(zhǔn)。
  Cimono說:“GPIB可以在設(shè)備領(lǐng)域成為主流,但是在控制領(lǐng)域,我不得不說,它可能只占據(jù)5%到10%的市場(chǎng)份額。”

 

  作出選擇
  為PC選擇信號(hào)調(diào)理器首先要考慮它是否與傳感器配套。
  國(guó)家儀器的Padhey說:“在提出方案之前,設(shè)計(jì)者必須了解系統(tǒng)所要處理的信號(hào)類型。只有當(dāng)設(shè)計(jì)者初步了解了模擬、數(shù)字信號(hào)的數(shù)量和類型之后,信號(hào)調(diào)理模塊才有用武之地:把信號(hào)轉(zhuǎn)換到安全的、可測(cè)的水平。”  


  現(xiàn)在的半導(dǎo)體集成方法包括可以直接插入后面板、帶有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)終端的高度壓
縮信號(hào)調(diào)理模塊,以及輸入的線纜DAG。

  信號(hào)調(diào)理模塊的性能由傳感器的性能所決定,每一種傳感器都有對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。針對(duì)J型熱電偶傳感器、應(yīng)力測(cè)量?jī)x以及各種不同配置方案下的傳感器都有對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理模塊。
  為一套系統(tǒng)選擇配置方案帶有強(qiáng)烈的主觀性,雖說在某些情況下應(yīng)該選擇何種方案是顯而易見的。如果你把基于PC的控制電路與其它硬件設(shè)備一起安裝在輸入端的金屬框上,那么你就應(yīng)該把信號(hào)調(diào)理電路也安裝在金屬框上。如果你面對(duì)的恰好是一個(gè)基于Profibus協(xié)議的網(wǎng)絡(luò),那么你顯然應(yīng)該使用基于Profibus的方案。選擇何種配置方案主要取決于你把信號(hào)輸入DAQ卡和計(jì)算機(jī)中的方式。
  位于法國(guó)和瑞士邊界的歐洲核子研究中心(又名CERN)有一臺(tái)大型粒子對(duì)撞機(jī)。在那里,如果某塊電路安裝在射線附近,強(qiáng)大的輻射場(chǎng)就會(huì)把它徹底摧毀。這種環(huán)境下,自控系統(tǒng)配置方案的選擇余地就十分有限了。CERN的工程師Alessandro Masi選擇了這樣的方案:通過長(zhǎng)達(dá)800米的電纜把信號(hào)接入位于遠(yuǎn)端PXI機(jī)箱內(nèi)的信號(hào)調(diào)理模塊。


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