过程控制和plc设计指南

　　plc基本原理

　　电流控制环的应用始于20世纪早期的电传打字机， 先使用的是0–60ma环路，后来改为0–20ma环路，plc系统率先加入4–20ma环路。4–20ma电流环有很多优势，将4ma作为 低通信电流，传输线断开（开路）时很容易检测到这一故障，只需两条连线即可实现远端传感器供电，大约3.5ma。4–20ma环路可以采用模拟通信，也可以采用数字通信。

　　在传统的分立器件设计中需要仔细计算，而且电路占用较大空间。maxim推出了几款20ma器件，能够大大简化系统设计。我们首先考虑典型的plc功能，如图3所示。

　　图3. plc简化框图

　　plc用于完成某项工作或任务。我们先检测一个物理参数，对其处理并进行决策，然后命令某个物理设备进行动作。根据这一模型，左下框显示了信号调理输出，可以采用max15500/max15501集成电路。

　　max15500/max15501允许选择近程电压控制或远程电流控制。从图4可以看出，除了传统的分立方案中所具备的基本通信功能外，器件中又加入了新的监测和保护功能。

　　图4. max15500/max15501输出调理器系列产品，器件功能包括：为1kω提供的±12v加载感应输出、供给750ω的±24ma电流、100μs的14位建立时间、40μs的12位建立时间。

　　工厂布线受运动、震动等因素的影响，可能导致与其它连接器之间的开路或短路。为了保证设备和人身安全，需要进行安全监测。电缆发生失效时，在系统彻底失效之前会有一段间隔时间。max15500系列能够智能化地进行监测，管理不同的失效状况。

　　考虑到工厂极端的emi、rfi、电源浪涌条件，任何监控措施都必须可靠，能够不受外界环境的干扰。max15500系列包含了一个 小260ms的开路、短路超时周期，这个时间周期足以避免监测嘈杂环境引起的错误报警，而且也足够捕获短暂的电缆故障。此外，器件将锁存故障并触发一个独立的硬件中断引脚报警，从而使处理器快速响应电缆短路故障。处理器收到中断后可以读取max15500的寄存器内容，获取准确的故障信息，清除故障中断。除了监测电缆的状况外，器件还提供其它安全功能，例如，通过检测芯片温度监控环境是否过热。可调节的电源跌落检测门限对于可靠的系统设计非常关键，电源电压检测门限可以在±10v至±24v范围调节，级差为2v。

　　为了保证系统安全，max15500/max15501输出还具有过流保护、对地短路保护以及高达±35v的过压保护。为满足客户需求，max15500/max15501提供可编程的超量程能力。某些用户采用满量程的105%，甚至120%进行测试或处理紧急操作（系统可能出于部分故障或强噪声环境）。max15500/max15501采用32引脚、5mm2 tqfn封装，带有裸焊盘，改善散热。

　　max15500/max15501输出调理器符合hart®标准，hart （高速可寻址远端传感器）协议能够在4–20ma控制线路上承载双向数字信号，类似于1200波特率、用于固定电话呼叫的bell 202协议。

　　max15500/max15501还具有独立的spi™总线，减少了电气隔离所需要的光隔离器。器件采用的是特殊的自定时spi接口，支持菊链协议。当多个spi器件需要通过电气隔离控制时，这种模式有助于减少控制线和隔离光耦的需求。

　　在更小的pcb （pc板）上集成更多功能

　　设计分立、可选电压（单极性和双极性）或电流输出调节电路是一项极具挑战的任务，特别是当设计人员了解到需要控制满量程可变增益、针对单极性和双极性电压设置的多种复位电平、0ma和4ma电路需求时，会对系统的复杂度又进一步的认识。图5简化了这些功能设计，因为这些功能已经集成在max5661电流和电压输出dac的内部。

　　图5. max5661的简化功能框图

　　max5661借助其编程功能解决了分立方案设计难题，可以方便地选择以下参数：

　　输出电压

　　单极性范围：0至+10.24v，±25%

　　双极性范围：±10.24v，±25%

　　电流输出

　　单极性低档范围：0至20.45ma

　　单极性高档范围：3.97ma至20.45ma

　　满量程输出增益

　　以10位分辨率或间隔调整到高达±25%的超范围

　　异步复位或清零，或预置到16位数字

　　这些功能提供了设计灵活性，作为模拟电源时，输出电压范围为±13.48v至±15.75v；电流输出时，输出电压摆幅为：+13.48v至+40v。差分电压输出可以通过电压输出放大器的加载/感应检测实现远程检测。故障输出中断指示开路电流输出、短路电压输出或状态清除。该功能由限流电压输出驱动；对于电流输出，压差检测器对超出规定范围的电流输出进行监测。/ldac引脚用于控制异步dac更新和多dac同步系统。

　　上述所有功能集成在max5661 10mm x 10mm lqfp封装内。