如何为工业控制和自动化应用提供隔离数字输入接口

摘要：本文介绍Corona (MAXREFDES12#)子系统参考设计如何为工业控制和自动化应用提供结构紧凑而简单的隔离数字输入接口。提供硬件和固件设计文件。

工业控制、工业自动化、电机控制及过程自动化应用领域常需要二进制/数字传感器及开关，系统往往需要很多光耦来隔离传感器通道。Corona (MAXREFDES12#)子系统参考设计提供可编程逻辑控制器(PLC)数字输入模块的前端接口电路，该序列化特性极大地减少了隔离光耦的数量。参考设计支持高压输入(最高达36V)，电源和数据隔离——全部集成在小尺寸封装中。Corona设计集成一个八通道数字输入电平转换器/串行器(MAX31911)、数据隔离器(MAX14850)和用于隔离电源设计的H桥变压器驱动器(MAX13256)。Corona数字输入电路方案主要用于PLC、工业自动化、过程自动化和电机控制应用领域的数字输入模块。

图1. Corona子系统设计方框图

特性
八路高压输入通道(最高36V)
片上8-1串行器，SPI接口
内部5V稳压器
隔离电源和数据
小尺寸印制板(PCB)面积
器件驱动器
C语言源代码示例
Pmod?兼容规格
 

应用
楼宇自动化
PLC数字输入模块
工业自动化
电机控制
过程自动化

硬件详细说明
Corona (MAXREFDES12#) Hardware Pmod规范允许3.3V和5V模块有多种引脚分配。该模块采用3.3V或5V电源工作，采用如图所示的SPI引脚分配。

表1显示了电源要求，表2则展示了目前支持的平台及端口。

表1. Corona子系统参考设计的电源要求

Power Type   Jumper Shunt   Power Name   Input Voltage (V)   Input Current (mA, typ)  
Isolated power   JU1: 1–2   U3 VCAA   3.3   19.4  
5   27.2  
U1 VCC24V   12   13.6  
24   14.5  
Field power   JU1: 2-3   U3 VCAA   3.3   19.4  
5   27.2  
U1 VCC24V   12   8.2  
24   8.2  

表2. 支持的平台和端口

Supported Platforms   Ports  
Nexys??3 platform (Spartan?-6)   JA1  
ZedBoard??platform (Zynq?-7020)   JA1  

Corona子系统为隔离、八通道、数字输入电平转换器/串行器。设计包括八通道数字输入电平转换器/串行器(MAX31911)、H桥变压器驱动器(MAX13256)和6通道数字隔离器(MAX14850)。

MAX31911 (U1)是一款工业接口串行器，对24V传感器的和开关的数字输出进行电平转换、调理和串行化处理，产生微控制器能够接受的CMOS兼容信号，适用于工业、过程控制和楼宇自动化应用。器件提供PLC数字输入模块的前端接口电路，内部集成了限流、低通滤波和通道串行化处理电路。与传统的分立电阻分压方案相比，输入限流可有效减小现场电源总线的功耗。可选择的片上低通滤波器灵活地对传感器输出进行去抖和滤波。片上串行器极大地减少了用于隔离的光耦数量。为了提高抗高频噪声和快速电气瞬变干扰能力，器件可生成多位CRC校验码，每8位数据通过SPI口发送一次校验码。片上5V稳压器可以为外部光耦、数字隔离器或其它外部5V电路供电。

MAX13256 (U2)提供隔离、实用的隔离电源方案，支持7.6V至36V直流电源，利用商用TGMR-501V6LF Halo?变压器(原边与副边匝数比为1:1)和外部板载全桥整流器将其转换为隔离7V至36V直流电源。

MAX14850 (U3)实现数据隔离，Pmod侧的电压可为3.3V或5V(用于Nexys 3和ZedBoard平台的Pmod电源输出固定为3.3V)。MAX31911侧的电压为5V。得到的组合功率和数据隔离为600VRMS。

为实用板上隔离电路，将跳线JU1上的短路器移至1–2位置，并在端子TP3和TP4之间施加7.6V至36V直流电压；如果不需要板上隔离电路，将跳线JU1上的短路器移至2-3位置，并在端子TP1和TP2之间施加7V至36V直流电压。关于跳线设置和输入电流要求的信息，请参见表1。

Nexys 3平台固件的详细说明
Corona固件设计针对Nexys 3开发套件进行了开发和测试，设计对象是Xilinx? Spartan-6 FPGA内的MicroBlaze?软核微控制器。Nexys 3平台的FPGA项目文件位于全部设计文件部分下的固件文件中。

固件是如何初始化系统以及连续读和写MAX31911寄存器值的工作示例。简单的处理流程如图2所示。固件利用Xilinx SDK工具用C语言编写，基于Eclipse?开放源标准。利用标准Xilinx XSpi内核版本3.03a设计自定义Corona功能。SPI时钟频率设置为3.125MHz。

图2. Nexys 3平台的Co