参考设计如何为工业控制提供隔离PLC数字输入？

数字/二进制传感器和开关对信号监测和系统控制至关重要，广泛用于工业控制、工业自动化、电机控制和过程自动化。所有传感器的输出都需要被中央处理单元检测和监测。为实现这一目的，通常利用可编程逻辑控制器(PLC)数字输入模块中的两个高功率电阻分压器检测传感器输出电压。为隔离每路传感器通道，需要使用独立的光耦。根据复杂度的不同，一个系统常常要使用多个光耦(图1)。

图1：传统工业传感器监测系统原理图，其中电阻分压器和光耦用于监测和检测传感器输出至系统PLC的信号。

在这种传统架构中，电阻分压器消耗的功率较大，形成电路板(PCB)“热点”，要求设计支持高温工作以及增加散热器。热点甚至会降低系统可靠性。此外，对于高通道数量的模块，多光耦设计增加系统成本和功耗，浪费宝贵的电路板空间。显而易见，紧凑而简单的隔离数字输入接口将有利于工业生产。

简化PLC的数字输入

集成能够满足这一要求。说出来容易做出来难!首先，增加通道输入，扩展系统容量，但仍使接口保持简单。现在，转而考虑数字串行化，并寻求省去隔离用光耦的途径。使用可配置的限流以降低功耗(见图4)。改善检错功能，使同一简单接口上的数据传输非常可靠。集成以上这些特性，使数字输入功能更加完善而可靠，产生的热量更少、功耗更低，节省空间，并且成本大幅降低，这就是目标。

隔离数字输入接口设计的实现

以上设计目标的解决方案就是Corona隔离子系统参考设计，该设计使用了数字输入转换器/串行器和数字隔离器。Corona设计提供PLC数字输入模块的前端接口电路，支持高压输入(最高36V)，电源和数据隔离——全部集成在90mm×20mm小尺寸封装中。该设计集成八通道数字输入电平转换器/串行器、六通道数据隔离器和用于隔离电源设计(如果现场无电源)的H桥变压器驱动器。我们进一步讨论该设计的硬件和软件。硬件说明

Corona输入模块如图2所示，系统框图见图3。

图3：数字输入子系统参考设计框图。图中U1为MAX31911八通道电平转换器/串行器，U3为MAX14850 6通道数据隔离器。

该设计中，工业数字输入串行器(U1)将传感器和开关的24V数字输出进行电平转换、信号调理以及串行化, 转变为满足微控制器要求的CMOS兼容信号。该器件提供PLC数字输入模块的前端接口电路，与传统的分立电阻分压方案相比，输入限流可有效减小对现场电源的消耗。图4所示为两种方法中单路输入通道的电流-电压关系。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8至1串行化省去了隔离所需的光耦。每8位数据通过SPI端口发送一次多位CRC校验，确保高噪声工业环境下的可靠通信。为实现更大灵活性，片上集成的5V电压稳压器可为外部光耦、数字隔离器或其它外部5V电路供电。

图4：传统设计方案与Corona (MAX31911)设计方案中单路输入通道的电流-电压关系比较。