HK模塊在兩線制及HART隔離傳輸中的應用

    摘 要：在兩線制信號及HART傳輸應用中，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通訊中斷等問題，更有甚者將造成設備端口器件損壞。使用有效的電氣隔離方法，形成兩線制信號及HART的隔離傳輸應用，能有效地解決上述問題，提高系統(tǒng)的可靠性。

    一、信號傳輸中的接地回路問題及地電勢差異

    導致儀表電路中出現(xiàn)接地回路現(xiàn)象的原因可能有很多。當信號傳輸和接收裝置連接到不同的接地點或不同的電源時，都會出現(xiàn)對地回路，這在長距離電纜傳輸時很常見。它們也可能是由于設備的金屬外殼與地面發(fā)生了物理接觸而產(chǎn)生的。接地回路生產(chǎn)了一個不被人注意的電氣回路，從而出現(xiàn)了一個誤差源。
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，從而損壞器件端口。

    二、非隔離的兩線制信號傳輸方式

圖一

    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。

    三、隔離兩線制信號傳輸方式

圖二

    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，形成兩個設備間的電氣隔離，從而降低了4-20mA信號的傳輸誤差，同時消除了共模干擾的隱患。

    因為兩線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)測量誤差及設備損毀，進一步提升了系統(tǒng)的可靠性。

    可選擇的金升陽HK模塊型號如下表：

    在電路設計中，要充分考慮MCU系統(tǒng)的低功耗設計。盡量選用低功耗MCU，在滿足采樣速率的前提下，盡量降低MCU的工作頻率，這樣可以大大降低MCU的功耗，一般情況下，兩線制儀表中的MCU只需3.3V 1mA功率即可。

    一般情況下，HK模塊輸入端并接的二極管穩(wěn)壓值越高，HK能夠提供的輸出功率越大。為最大限度地延長兩線制信號的傳輸距離，在滿足MCU所需功耗的前提下，盡量選擇穩(wěn)壓值低一些的穩(wěn)壓二極管，作為HK模塊的輸入電壓。對于列表中沒有的輸入電壓，可以向廣州金升陽科技有限公司訂制。

    四、總結

    采用廣州金升陽科技有限公司的HK模塊，可以實現(xiàn)兩線制信號的隔離傳輸，消除地電勢差異對系統(tǒng)測試造成的誤差及共模信號對端口器件可能造成的影響，為工控現(xiàn)場的信號傳輸方式提供了一種新的更好的選擇。

    當然，對于非隔離應用的場合，如MCU需要稍高的工作頻率，而電流環(huán)DAC芯片無法提供足夠能量時，也可以考慮采用類似圖二的取電電路來提供額外的能量，本文不再贅述。

    廣州金升陽科技有限公司的HK在線取電模塊，在2012年的專利電路基礎上作了進一步創(chuàng)新，提高了HK模塊的電源轉(zhuǎn)換效率，相信可以滿足兩線制儀表的更高的電源需求。

    廣州金升陽科技有限公司供稿，文章來源地址:http://www.mornsun.cn/news/NewDetail.aspx?id=222<