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評估和設計支持

電路評估板

CN-0414電路評估板(EVAL-CN0414-ARDZ)

CN-0418電路評估板(EVAL-CN0418-ARDZ)

CN-0416電路評估板(EVAL-CN0416-ARDZ)

ADALM-UARTJTAG板

Arduino尺寸開發平臺(EVAL-ADICUP3029)

設計和集成文件

PLC/DCS Wiki用戶指南

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

電路功能與優勢

可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)被用于監測和控制工業自動化應用中的智能（支持HART）和模擬現場儀器儀表。

圖1所示的電路是一個簡單的DCS系統，由一臺主機、一個單節點、兩個4通道隔離模擬輸入板和兩個4通道隔離模擬輸出板組成，這些板由Arduino尺寸基板在本地管控。RS-485收發器連接至PC或其他主機，如此，用戶可以使用Modbus協議與節點交換數據。

模擬輸入數據從本地讀取，通過使用行業標準Modbus協議的串行接口提供，確保在一系列軟件應用和庫中，保證數據完整性和可兼容性。同樣地，模擬輸出通過向Modbus寄存器寫入來置位，然后被轉換為模擬電壓或電流信號。

每個節點可以支持4個模擬輸入和輸出板的組合。如圖2所示，最多16個節點的多節點系統在設計時，可以使用提供的硬件和軟件基礎架構。該電路支持點對點HART通信，可以擴展為多分轉站HART網絡，在同一通道上集成多個HART器件。

每個板（4個一組）的模擬輸入和模擬輸出都實施電氣隔離，模擬輸入支持開路檢測，簡化了故障檢測和診斷過程。在嚴峻的工業自動化環境中使用時，這些功能可以增強可靠性和耐用性。

圖1.PLC（或單節點DCS）Modbus系統功能框圖

圖2.多節點DCS Modbus系統功能框圖

電路描述

該應用側重于展示受Modbus主機管控的PLC/DCS系統的開發，并且通過示例說明如何使用重要組件的最新功能。單節點系統通常被稱為PLC，更大型的系統則通常被稱為DCS。

每個節點可以管控多達16個模擬現場器件、傳感器或驅動器（兼容HART或僅支持模擬），系統可以擴展，最多包含16個單獨的節點。該系統也可用于通用精密模擬數據采集應用，例如儀器儀表、模擬數據記錄，或測試和測量。

PLC/DCS拓撲

支持多個連接拓撲。在單節點（PLC，或單節點DCS）系統中，主機可利用micro-USB電纜，直接連接至EVAL-ADICUP3029平臺板的USB串行端口，非常適合要求主機和節點之間距離小于2米的實驗室測試和測量應用。

在這個點對點拓撲中，電路板四個一組的模擬輸入和輸出仍然與主機保持隔離。雖然一般來說與實驗室設備不相關，但Modbus協議提供一種方便、標準的與節點通信的方法。HART連接支持對智能傳感器和驅動器實施配置。

主機和節點之間的距離增大到2米以上時，信號完整度、噪音拾取和電氣故障會成為更嚴重的隱患。在這些情況下，EVAL-CN0416-ARDZ為主機提供可靠的RS-485連接。在單節點、點對點系統中，支持在1 km以上距離中進行全雙工或半雙工通信，具體由波特率決定。

對于多節點系統（稱為DCS更加合適），EVAL-CN0416- ARDZ提供菊花鏈端口，支持可切換的半/全雙工操作和可切換的端電極，因此系統可以集成2到16個節點。

因為Modbus被用作串行通信協議，以通過串行鏈路，在器件之間發送信息，因此無論規模大小，都可以實現簡單、可靠且耐用的系統。PLC/DCS應用的硬件協議棧包含三個不同的參考設計。

模擬輸入板

圖3所示的CN-0414用于測量4個全差分信號，或者測量8個單端電壓和4個電流信號。該電路的核心是AD4111低功耗、低噪聲24位Σ-Δ模數轉換器(ADC)，集成了±10 V和20 mA模擬前端。

其電壓輸入支持最高±10 V的輸入范圍。AD4111具有獨特的特性，支持在±10 V電壓輸入上進行開路檢測，同時采用5 V或3.3 V單電源供電，而之前的解決方案一般都需要大于±10 V的電源。

電流輸入支持0 mA至24 mA輸入范圍。電路的輸入阻抗為250 Ω（AD4111內部為60 Ω），所有輸入都以絕緣接地為基準。電流輸入上需要250 Ω輸入電阻，以使符合HART要求的AD5700-1調制解調器可與AD4111配合使用。

電路的模擬前端AD4111和AD5700-1通過ADuM5411和ADuM3151與處理側隔離，相比基于分立式變壓器的解決方案，能夠節省大量空間。

CN-0414板由9.5 V至36 V直流電源供電，這在工業自動化系統中非常典型，因此能夠輕松集成到您的系統之中。

圖3.模擬輸入板

模擬輸出板

圖4所示的CN-0418是一款4通道電壓和電流輸出板，以具備動態功率控制功能的AD5755-1 DAC為基礎構建。

此電路提供4 mA至20 mA電流輸出，以及單極性或雙極性電壓輸出(±10 V)。此板還配有AD5700-1 HART調制解調器，提供完整的支持HART連接的模擬輸出解決方案。同時還包括外部瞬變保護電路，這對惡劣工業環境中的應用極其重要。

電流輸出和電壓輸出通過獨立引腳提供，一次僅一個輸出處于有效狀態，因而允許將兩個輸出引腳連在一起并接到單個端口上。模擬輸出受短路和開路保護。

AD5755-1集成基于DC-DC升壓轉換器電路的動態電源控制功能，在電流輸出模式下可降低功耗。

AD5755-1有四個CHART引腳，分別對應于四個輸出通道。HART信號可以耦合至這些引腳，并出現在對應的輸出端（如果該輸出已使能）。

圖4.模擬輸出板

RS-485收發器板

圖5所示的CN-0416是一款隔離和非隔離式RS-485收發器板，能夠在多個系統或節點之間輕松實施數據傳輸，尤其是在長距離下。

該電路使用ADM2682E RS-485收發器來進行隔離通信，使用LTC2865 RS-485來進行非隔離通信。這兩種器件都可以配置進行全雙工或半雙工操作，具備開路或端接傳輸線。

該電路采用板載式RJ-45插孔，因此能夠使用常用的CAT5以太網電纜，快速和節點物理連接。端電極電阻被默認設置為CAT5電纜的特性阻抗100 ?，但在配置之后，可以支持標準RS-485電纜的120 ?阻抗。

ADM2682E的數據速率可以達到16 Mbps，提供真正安全的接收器輸入和經過調整的差動電壓閾值。它使用iCoupler數據通道，提供5 kV信號隔離，利用isoPower集成式DC-DC轉換器，提供5 kV電源隔離。

LTC2865的數據速率可以達到20 Mbps，提供真正安全的接收器輸入。由一個內部窗口比較器確定安全狀況，無需調節差動輸入電壓閾值。

圖5.RS-485收發器板

兼容HART的現場器件的接線

圖6.兼容HART的現場器件的接線

HART網絡

HART器件可在點對點或多分轉站這兩種網絡配置中的一種運行。

在點對點模式下，4 mA至20 mA信號被用于傳輸一個過程變量，而額外的過程變量、配置參數和其他器件數據則通過HART協議以數字方式傳輸。4 mA至20 mA模擬信號不會受到HART信號影響，可用于實施控制。HART協議提供訪問輔助變量和其他數據的權限，這些數據可用于實施操作、調試、維護和診斷。

Modbus協議

在EVAL-ADICUP3029上運行的軟件采用Modbus協議——一種事實上的開放型工業通信標準。Modbus提供一種與單個節點交換數據的可靠方式，通過CRC誤差檢測來確保數據的完整性。作為一項開放標準，存在眾多可用的開放源和商用Modbus軟件庫，適用于各種平臺（例如Windows^?、Linux^?、嵌入式平臺等）。