高速CMOS光耦合器在工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

介紹

從20世紀80年代中期開始，現(xiàn)場總線技術(shù)就準備進入工廠。工業(yè)現(xiàn)場總線根據(jù)其性能能力進行分類。人們最終選擇的現(xiàn)場總線標準主要取決于總線能夠處理的數(shù)據(jù)量及其相關(guān)的速度或傳播延遲要求?？赡苡袔资畟€流行的網(wǎng)絡(luò)標準和數(shù)百個專有的或家庭網(wǎng)絡(luò)的標準?，F(xiàn)場總線的發(fā)展和使用發(fā)展迅速。

在現(xiàn)場總線之前，一個工業(yè)控制系統(tǒng)建立在一個中央控制器，輸入和輸出卡輸入傳感器信號和輸出信號到執(zhí)行器。通常，控制器、I/O卡和電機驅(qū)動器都安裝在中央機柜中，中央機柜與遠程設(shè)備相連接(圖1A)。

然而，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)在控制器和現(xiàn)場設(shè)備之間以順序信息的方式進行通信(圖1B)?？刂破骱驮O(shè)備以總線、星形、樹形或環(huán)狀拓撲的形式連接到現(xiàn)場總線電纜上。

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的光隔離

在工業(yè)環(huán)境中，大量的和巨大的瞬態(tài)爆發(fā)是常見的。這些瞬態(tài)脈沖可能會破壞數(shù)據(jù)傳輸，甚至可能損壞相互連接的設(shè)備。為了保證在高速現(xiàn)場總線通信中的無錯誤的數(shù)據(jù)傳輸，行業(yè)系統(tǒng)設(shè)計人員必須努力消除干擾。通常，電流隔離光耦合器用于保持數(shù)據(jù)的完整性和保護相互連接的設(shè)備。

國際標準IEC 61000-4-4規(guī)定了與EMC抗擾力要求相關(guān)的電氣快速瞬態(tài)/突發(fā)抗擾試驗。安捷倫的高速CMOS 光耦合器在共模高達1000伏的電壓下具有CMR 10kV/s的瞬態(tài)免疫性能。 光耦合器隔離瞬態(tài)/突發(fā)干擾，并在總線收發(fā)器和控制器之間傳輸數(shù)據(jù)。由于網(wǎng)絡(luò)通信是雙向的(包括接收數(shù)據(jù)并向網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù))，因此每個節(jié)點需要兩個光耦合器。

圖1A。常規(guī)控制器和遙控器并行連接的設(shè)備

圖1B。控制器和遠程設(shè)備通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接

隔離節(jié)點電源設(shè)計注意事項

設(shè)備電源有交流線路，現(xiàn)場總線電纜有直流電源。對于隔離節(jié)點從上述兩個源中接入電源是非常靈活的?；究紤]的是兩個電源必須跨越光耦器隔離邊界。有三種類型的解決方案，即：由網(wǎng)絡(luò)供電的隔離節(jié)點(圖2)，具有由網(wǎng)絡(luò)供電的收發(fā)器的隔離節(jié)點(圖3，為網(wǎng)絡(luò)供電的隔離節(jié)點(圖4)。

圖2。由網(wǎng)絡(luò)供電的隔離節(jié)點

圖3。具有由網(wǎng)絡(luò)供電的收發(fā)器的隔離節(jié)點

圖4。為網(wǎng)絡(luò)供電的隔離節(jié)點

由網(wǎng)絡(luò)供電的隔離節(jié)點

如果網(wǎng)絡(luò)電源能充分供電給設(shè)備，則不需要從交流線路為現(xiàn)場設(shè)備供電。如圖2所示，一個非隔離的電壓調(diào)節(jié)器提供收發(fā)器和兩個光耦合器的一半，而一個隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器提供控制器和兩個光耦合器的另一邊。

具有由網(wǎng)絡(luò)供電的收發(fā)器的隔離節(jié)點

圖3顯示了應(yīng)用程序需要大量電源的時間。在這種情況下，現(xiàn)場設(shè)備由交流線源供電，而兩個光耦合器的收發(fā)器和隔離側(cè)由網(wǎng)絡(luò)供電。這種方法也是可取的，因為它不會使網(wǎng)絡(luò)負載沉重。

為網(wǎng)絡(luò)供電的隔離節(jié)點

當網(wǎng)絡(luò)上有有限數(shù)量的設(shè)備不需要太多電力時，建議使用圖5所示的方法，從而消除了需要單獨的網(wǎng)絡(luò)電源。交流線路為現(xiàn)場設(shè)備提供本地供電，也為隔離電源供電。該電源為網(wǎng)絡(luò)供電，其中一個調(diào)節(jié)器產(chǎn)生DC5 V，為收發(fā)器和兩個光耦合器的隔離(網(wǎng)絡(luò))側(cè)供電。

推薦的設(shè)備網(wǎng)應(yīng)用程序電路

DeviceNet物理層實現(xiàn)使用了CAN總線。推薦的設(shè)備網(wǎng)應(yīng)用電路如圖6所示。由于高速CMOS光耦合器HCPLx710/x72x與CMOS邏輯電平信號完全兼容，因此這兩個光耦合器直接連接到CAN收發(fā)器。兩個旁路電容器(其值在0之間。 01和0.1 F)是必需的，并且應(yīng)盡可能靠近光耦合器的輸入和輸出電源引腳。對于每個電容器，電容器兩端與電源引腳之間的總導(dǎo)線長度不應(yīng)超過20 mm。由于光耦合器內(nèi)部信號的高速數(shù)字特性，因此需要旁路電容器。更重要的是，安捷倫HCPL-x710/x72x獨特的“雙反轉(zhuǎn)”設(shè)計確保了當節(jié)點的交流線路電源丟失或節(jié)點斷電時，網(wǎng)絡(luò)不會“鎖定”。具體地說，當消除到位于傳輸路徑中的HCPL-x710/x72x的輸入功率(VDD1)時，當HCPLx710/x72x輸出電壓(VO)變高時，保證了隱性總線狀態(tài)。

總線V+傳感

有人建議，總線V+感知塊顯示在圖6實現(xiàn)。一個本地驅(qū)動的節(jié)點無電源的隔離物理層將會累積錯誤

如果它試圖傳輸，就變成巴士線?？偩€V+感知信號將被用來改變BOI屬性的設(shè)備網(wǎng)對象的“自動重置”(01)值。這將導(dǎo)致節(jié)點不斷地重置，直到總線為止檢測到電源。一旦檢測到電源，BOI屬性將返回到“總線關(guān)閉”(00)價值BOI屬性不應(yīng)該留在“auto-”中重置”(01)值，因為這將破壞緩沖器保護CAN錯誤限制的能力。

圖5。推薦的設(shè)備網(wǎng)應(yīng)用程序電路

推薦的現(xiàn)場總線應(yīng)用程序電路

在現(xiàn)場總線物理層實現(xiàn)中，總線采用傳輸技術(shù)RS485和IEC1158-2技術(shù)。推薦的現(xiàn)場總線應(yīng)用電路如圖6所示。 由于高速CMOS光耦合器HCPL-772x/072x與CMOS邏輯電平信號完全兼容，因此光耦合器直接連接到收發(fā)器。兩個旁路電容器(其值在0.01到0之間。 需要需要1 F)，并應(yīng)盡可能靠近光耦合器的輸入和輸出電源引腳。對于每個電容器，電容器兩端與電源引腳之間的總導(dǎo)線長度不應(yīng)超過20 mm。由于光耦合器內(nèi)部信號的高速數(shù)字特性 ，因此需要旁路電容器。

HCPL-061N與多站RS485光耦合器非常類似，該光耦合器提供了一個傳輸禁用功能，這是使每個主/從傳輸周期后總線空閑所必需的。具體來說，HCPL-061N通過將線路驅(qū)動器的發(fā)射機進入高狀態(tài)模式而使其失效。此外，HCPL-061N還可切換RX/TX驅(qū)動程序IC進入收聽模式。HCPL-061N提供了HCMOS兼容性和高CMR性能(1 kV / s at VCM= 1000 V)在工業(yè)通信接口中至關(guān)重要。

圖6。推薦的現(xiàn)場總線應(yīng)用程序電路

審核編輯：湯梓紅