工业应用中传感器数字I/O模块的选择

工业应用中传感器数字I/O模块的选择

数字传感器以及由数字信号驱动的激励器的应用非常广泛，几乎所有现实中的变量(如温度、流量、压力、速度等等)测量中都可以找到数字传感器的应用，其数字输出有多种格式，本文首先根据输出信号和电路接口的类型对数字传感器分类，然后指出在选择与传感器接口的数字I/O模块时应注意哪些问题。

数字传感器与模拟传感器不同，模拟传感器的输出值是一个在整个输出范围内连续变化的值，而数字传感器的输出值只有两种，非“0”即“1”。轻触开关(touch switch)就是数字传感器的一个最简单的例子，在未被按下时，轻触开关通常是一个阻抗无穷大的开路电路，而按下之后，就变成一个阻抗为零的短路电路。

在将数字传感器与数据捕获设备对接时，必须考虑一些可能影响接口性能的关键因素。下文中，我们将介绍这些关键因素，并为你提供一种简易方法，以指导你正确选择适合你应用的数据捕获设备。

数字传感器的分类

由于技术进步，市场上出现了各种各样复杂的数字传感器，而且如今的传感器已经能够产生一长串的开关状态转换，使用这些传感器时，输出脉冲序列的频率特性，甚至是脉冲形状都能表征传感器的测量结果，从而使得连续测量变为可能。

图1按照传感器输出的驱动信号的信号特征对传感器进行分类(有5种），其中，45%的数字传感器是以数字线的开关状态表征输出，35 %以输出信号的频率表征输出，12 %则是以输出信号的占空比来表征输出，另有6%以时间间隔表征，2%以脉冲数表征。

在选择捕获传感器数据所需的工业数字模块时，能够表达传感器测量结果的信号特征是第一个需要考虑的选择参数。在决定你所选择的数字I/O模块中是否需要计数器时，这一参数十分重要。

吸入和泵出这两个术语定义了负载中直流电流的流向控制。吸入型器件为电流提供一条到地的通路，不负责为设备供电。凡名字中包含NPN、集电极开路和IEC负逻辑这些术语的器件都属于吸入型器件。泵出型器件提供电源或一个正电压，将电流灌入负载。凡名字中包含PNP、发射极开路、常低和IEC正逻辑等术语的器件都属于泵出型器件。

吸入和泵出的概念与用来完成操作的元件无关(不论元件是晶体管、机械继电器还是其它)。这一概念对任何DC电路均适用，但用于实现这一电路的元件可以有多种选择。

2线传感器或3线传感器

对于定义传感器开态和关态时电流和电压的关系而言，十分重要。一个传感器可按以下方式被归为2线传感器或3线传感器。

2线传感器

这种传感器与数据捕获设备串联，当传感器未被激活时，它只吸收一个最小操作电流，这一电流值等于传感器的关态泄漏电流，有些传感器厂商也称之为残余电流。当传感器没有连接数据捕获设备，而直接连接到其它负载上时，就不存在残余电流问题，例如在工业环境中，这些2线传感器就常常直接连接到电机，以及类似电机的低阻设备。

但如果传感器所需的残余电流高于数字I/O模块能够提供的电流，那么问题就出现了。这时数字I/O模块可能会因为传感器吸收的电流高于它准备提供的电流而错误地将关态检测为开态。工业应用中的大多数2线传感器的关态泄漏电流或残余电流都不高于1.7毫安。

与关态类似，传感器要维持开态也需要一个最小电流，这就是最小保持电流(minimum holding current)，其值通常在3毫安到20毫安之间。如果数字I/O模块不能吸收或提供该电流，那么传感器将无法正常工作。

3线传感器并不直接通过数字输出线获取能量，而是从一个激励终端获取能量，某些厂商也将这种传感器叫做线路驱动传感器。这类传感器从数字I/O模块处吸收的电流叫做负荷电流，通常为20毫安左右。但注意，该电流是由激励终端提供的。

数字传感器驱动电路

按照实现传感器输出的电子元件分类。用于驱动数字传感器输出的电子元件通常有三种：机械继电器、晶体管和双向FET器件。

机械继电器是一种电磁器件，闭合触点时能够接通电路，断开触点时能够切断电路。这种器件能够承受高压下的电流负载。机械继电器相对于固态继电器而言属于低速器件，因此通常用于以线路状态表征输出结果的传感器中。这种器件常出现的问题是触点老化和阻抗增大，其触点的寿命取决于电流负荷和工作频率。在与计数器或者数字I/O模块连接时，机械继电器有时会由于触点反弹而输出不确定的结果。

晶体管是一种用于控制DC电流的固态器件，有两种类型：NPN型和PNP型，通常在低直流电源的传感器中用作输出开关。图2给出了一个NPN(电流吸收) 型集电极开路晶体管。

双向FET器件是以一种叫做双向FET输出的结构实现的，如图3所示。该结构有许多优点，但最重要的是它能够直接与TTL和CMOS电路接口，而且它具有关态泄漏电流低和响应速度快的特性。FET的意思是场效应晶体管，它是一种最适合于用作数字传感器输出的器件，因为其工作特性接近理想模型。

数字传感器I/O模块的选择

在选择数字I/O模块时，我们必须回答以下三个问题：

1． 传感器输出的数字信号的什么特征能够表征传感器的测量结果？从列表1你就能选择一组数字I/O模块。

2． 传感器的输出是吸入型输出还是泵出型输出？表1同样也提供了一组根据吸入和泵出能力分类的NI数字I/O板，如果你所采用的传感器是吸入型输出，那么你就需要选择一块泵出型输入的I/O板，反之亦然。

3． 用来实现传感器输出的是什么元件？这时我们可能就需要考虑传感器的关态泄漏电流和开态最小保持电流。比较表2中传感器的规格和数据捕获设备的规格，你就能选出最适合你传感器的数字I/O设备。

在选择过程中，除了考虑电压之外，以下两个条件也必须受到重视(有时我们会将其忽略)：

1. 传感器的关态泄漏电流≤I/O板的低态最大输入电流；

2. 传感器的最小保持电流≤I/O板的高态最大输入电流。

作者：Andre Oliveira

可制造性测试工程师

美国国家半导体公司