浅谈优化工业DAQ系统优化设计

可编程逻辑控制器(PLC)是很多工业自动化和过程控制系统的核心，可监控和控制复杂的系统变量。 基于PLC的系统采用多个传感器和执行器，可测量和控制模拟过程变量，例如压力、温度和流量。 PLC广泛应用于众多不同应用，例如工厂、炼油厂、医疗设备和航空航天系统，它们需要很高的精度，还要保持稳定的长时间工作。 此外，激烈的市场竞争形势要求必须降低成本和缩短设计时间。 因此，工业设备和关键基础设施的设计人员在满足客户对精度、噪声、漂移、速度和安全的严格要求方面遇到了严峻的挑战。

本文说明如何利用ADAS3022来替换模拟前端(AFE)级，从而降低复杂性，解决多通道数据采集系统设计中遇到的诸多难题。 这种高性能器件具有多个输入范围，非常适合高精度工业、仪器、电力线和医疗数据采集卡应用，可以降低成本和加快产品面市，同时占用空间很小，易于使用，在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

图1. 典型PLC信号链

PLC应用示例

图1显示在工业自动化和过程控制系统中使用PLC的简化信号链。 PLC通常包括模拟和数字输入/输出(I/O)模块、中央处理器(CPU)和电源管理电路。

在工业应用中，模拟输入模块可获取和监控恶劣环境中的远程传感器信号，例如存在极端温度和湿度、振动、爆炸化学物品的环境。 典型信号包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的单端电压或差分电压，或者0 mA至20 mA、4 mA至20 mA、±20 mA范围的环路电流。 当遇到具有严重电磁干扰(EMI)的长电缆时，通常使用电流环路，因为它们本身具有良好的抗扰度。

模拟输出模块通常控制执行器，例如继电器、电磁阀和阀门等，以形成完整自动化控制系统。 它们通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的输出电压，以及4 mA至20 mA的环路电流输出。

典型模拟I/O模块包括2个、4个、8个或16个通道。 为满足严格行业标准，这些模块需要提供过压、过流和EMI浪涌保护。 大多数PLC包括ADC和CPU之间、CPU和DAC之间的数字隔离。 高端PLC可能还有国际电工委员会(IEC)标准规定的通道间隔离。 很多I/O模块包括每通道软件可编程单端或差分输入范围、带宽和吞吐率。

在现代PLC中，CPU自动执行多个控制任务，利用实时信息访问进行智能决策。 CPU可能包含高级软件和算法以及Web连接，用于差错校验诊断和故障检测。 常用通信接口包括RS-232、RS-485、工业以太网、SPI和UART。

图2所示电路是一款高度集成、16位、1 MSPS、多路复用、8通道、灵活的数字采集系统(DAS)，集成可编程增益仪表放大器(PGIA)，能够处理全范围工业级信号。 这种高集成度可以节省电路板空间，降低整体部件成本，使得ADAS3022非常适合空间受限的应用，例如自动测试设备、电力线监控、工业自动化、过程控制、病人监护以及其他工业和仪表系统，它们都采用±10 V的工业信号电平工作。

图2. 采用5 V单电源的16位、1MSPS、8通道数据采集解决方案简化原理图