应用隔离信号设计 改善工控网通信号品质

整合多传感器输出至PLC端，使用数码隔离与数据串行化传输，可简化相关线路设计。maxim integrated

在工业网络应用中，多样化的数码传感器其信号以数码化数据传输为主，虽然说数码信号已可较类比信号提供更高的抗杂讯、减低环境噪讯干扰问题，但实际上工业生产环境的自动化设备以大电力驱动为主，伺服马达造成的电力不稳与干扰都会影响到数码信号传输…

传感器可以说是发展工业自动化生产的基础，尤其是多样化的数码传感器，可检测产线的各种运行状态与判断自动加工工序开何时处理与何时停止，透过各式传感器部署于产线的各个阶段，可以在极少人工介入的前提下完成自动化量产的整合目标。

工业网络应用环境恶劣  控制与传感信号需加强传输要求

虽说自动化生产可节约人力、增加生产效率，但较大的问题是生产现场大多处于恶劣环境，若是生产工件需高热加工，或是高震动的自动冲压设备处理程序，生产流水线现场肯定会处于高温、高震动、高落尘等恶劣环境条件，但为了达到自动化生产目的，自动化工程师势必得在这类加工环境设置部署传感器，再搭配工控网络整合利用线上控制与检视目前加工处理现况。

但数码化传感器在生产现场，主要是获取现场加工工序处理判断信息，如加工件目前完成状态、位于生产线何处？加工材料供应是否充足不中断？而传感器可能会部署在给料机、自动化控制加工手臂、自动焊接机、自动冲压机等生产设备，同时在传感器周边也会部署伺服马达、驱动器等中？大电力设备，甚至加工工法本身也可能产生影响传感结果正确性的问题。

生产线控制设备干扰大  增加传感线路传输设计难度

在生产流水线的传感器部署，可广泛用在工业控制、自动化控制、马达控制、制程自动化整合，基本上所有产线或是部分加工站的传感器输出，都需要汇整到控制设备，转由中央处理器搭配自动化程序进行分析、判断与进行控制决策，进而达到单一加工站或是整条产线仅需部署少许人力协助排除。

为了实践自动化生产目的，自动化工程师多半会在产线部署可程序逻辑控制器PLC(programmable logic controller)，在PLC的输入端为了隔离生产环境的杂讯干扰，通常会在输入端设置高功率的电阻，来检测传感器所传送来的电压，为了达到隔离每个传感线路，可以再搭配将压电信号转换成光信号的光耦合器，利用抗干扰效果更佳、较不受温度、电磁干扰的光电信号传输传感器的侦测数据，使用更高S/N比的信号提升传感器传回数据的品质。

运用隔离电源？数据传输设计  提升传输数据品质

对生产现场来说，避免杂讯干扰即可获得相对顺畅的生产处理，将传感信号透过光耦合器的转换，由压电信号转换成光信号后，就可以让后端的分析与决策程序有更精确无误的数据参考来源，在传感器转换信号后也有助于以更高速的条件传送传感现况，让传感端与后端决策的时间误差尽可能缩短，减少因为传送时间延迟问题造成错误误操作或是降低加工效能。

而用光耦合器转换的优点相当多，基本上可以利用独立的光耦合器区隔不同线路的转换信号，达到每个信号更独立、不互相干扰问题，这也能让整合与布署自动化产线传感器的工作更简单直觉许多，而根据需求的复杂度差异，一个系统通常需要多个光耦合器搭配使用。

传统设计PCB占位面积大  线路复杂不利整合

而在实际的整合需求上，会发现在将传感器的压电信号转换至光信号输出，其实在电阻分压器端的功率消耗也会因为线路不同会有或大或小的功率消耗产生，而转换光信号前的压电信号处理，将会导致增加的功率会于电阻上转换成热能散逸，而电阻整合于PCB(Printed circuit board)电路载板上，电阻料件用料需使用高功率耐受的元件，元件本身也需要针对实际操作的需求确认是否加装散热铝挤型鳍片或是设置散热器，若将多传感器的信号处理模块整合，也需一注意高通道数量的信号转换散热需求。

而高传感器通道数量增加，也会造成模块的设计难度，而多光耦合器会导致系统功耗提升、可靠性降低，多埠的光耦合器也会造成PCB布线复杂度增加同时增加系统成本，反而采行线路密度较高、简单隔离设计之数码输入界面整合，可避免线路过于复杂与设置成本过高问题，实用性也更高。

使用信号序列化设计方案  简化隔离设计复杂度

因应多埠的传感信号转换需求，其实也可借镜数码信号序列化的设计概念，一来将原有单埠即一组光耦合转换线路的需求，改透过数码信号的序列化节约线路的载板空间，同时，转换线路亦可搭配信号侦错处理，提升简单界面的数据传输可靠度，搭配线路的限流设计降低电路整体功耗，使转换信号电路不仅可在更低功耗下运行，还可以更简化的电子电路、更低的元件成本达到相同的信号传递与转换需求。

实务的应用环境可善用SPI(Serial Peripheral Interface)设计方案，将多组传感器输出汇整成简化的序列传输信号，透过单组SPI界面可以串接多通道数码输入，同时可以在该方案整合多输入的应用需求，而且单组SPI界面能够将传感器端的传感数据传送至PLC进行处理，而不用再增加隔离处理，这也可以用来减少简化隔离线路的元件用料与缩小载板占位面积，可让单位面积的PCB载板的处理通道多更多。

目前这些线路转换需求，已有芯片业者提出应用解决方案，对应PLC所需的数码输入模块应用的界面电路需求，提供整合数码输入转换、串行传输界面、数码隔离器等应用目的，相关方案可以支持高电压输入、电源电路与数据电路隔离的设计，相较自动化工程师要自行整合来说，使用对应芯片产品以集成电路尺寸就能达到应用需求，也能使用更简单的方式部署工控网络所需的线路整合。

透过数码输出进行电平转换，应用限流设计有效节省电源消耗外，再使用串行化传输数据与信号调节应用，即可将生产现场不同传感器的回传信号转换成控制器要求的兼容信号，透过数码化方案简省隔离电路所需的光耦合器原件，而SPI信号的传输数据内容还可搭配CRC(Cyclic redundancy check)进行数据验证，更进一步确保了传输数据的品质与可靠度，提升工业生产应用环境传感器数据传输的正确性，同时也能增加现场线路部署的灵活度。