工業(yè)應用中傳感器數(shù)字I/O模塊的選擇

    數(shù)字傳感器以及由數(shù)字信號驅(qū)動的激勵器的應用非常廣泛，幾乎所有現(xiàn)實中的變量(如溫度、流量、壓力、速度等等)測量中都可以找到數(shù)字傳感器的應用。 

    其數(shù)字輸出有多種格式，本文首先根據(jù)輸出信號和電路接口的類型對數(shù)字傳感器分類，然后指出在選擇與傳感器接口的數(shù)字I/O模塊時應注意哪些問題。 

　　數(shù)字傳感器與模擬傳感器不同，模擬傳感器的輸出值是一個在整個輸出范圍內(nèi)連續(xù)變化的值，而數(shù)字傳感器的輸出值只有兩種，非 “0”即“1”。輕觸開關(guān)(touch switch)就是數(shù)字傳感器的一個最簡單的例子，在未被按下時，輕觸開關(guān)通常是一個阻抗無窮大的開路電路，而按下之后，就變成一個阻抗為零的短路電路。 

　　在將數(shù)字傳感器與數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備對接時，必須考慮一些可能影響接口性能的關(guān)鍵因素。下文中，我們將介紹這些關(guān)鍵因素，并為你提供一種簡易方法，以指導你正確選擇適合你應用的數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備。 

　　數(shù)字傳感器的分類 

　　由于技術(shù)進步，市場上出現(xiàn)了各種各樣復雜的數(shù)字傳感器，而且如今的傳感器已經(jīng)能夠產(chǎn)生一長串的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使用這些傳感器時，輸出脈沖序列的頻率特性，甚至是脈沖形狀都能表征傳感器的測量結(jié)果，從而使   
得連續(xù)測量變?yōu)榭赡堋?nbsp;

　　圖1按照傳感器輸出的驅(qū)動信號的信號特征對傳感器進行分類(有5種），其中，45%的數(shù)字傳感器是以數(shù)字線的開關(guān)狀態(tài)表征輸出，35 %以輸出信號的頻率表征輸出，12 %則是以輸出信號的占空比來表征輸出，另有6%以時間間隔表征，2%以脈沖數(shù)表征。 




　　在選擇捕獲傳感器數(shù)據(jù)所需的工業(yè)數(shù)字模塊時，能夠表達傳感器測量結(jié)果的信號特征是第一個需要考慮的選擇參數(shù)。在決定你所選擇的數(shù)字I/O模塊中是否需要計數(shù)器時，這一參數(shù)十分重要。 

　　吸入和泵出這兩個術(shù)語定義了負載中直流電流的流向控制。吸入型器件為電流提供一條到地的通路，不負責為設(shè)備供電。凡名字中包 含NPN、集電極開路和IEC負邏輯這些術(shù)語的器件都屬于吸入型器件。泵出型器件提供電源或一個正電壓，將電流灌入負載。凡名字中包含PNP、發(fā)射極開 路、常低和IEC正邏輯等術(shù)語的器件都屬于泵出型器件。 

　　吸入和泵出的概念與用來完成操作的元件無關(guān)(不論元件是晶體管、機械繼電器還是其它)。這一概念對任何DC電路均適用，但用于實現(xiàn)這一電路的元件可以有多種選擇。 

　　2線傳感器或3線傳感器 

　　對于定義傳感器開態(tài)和關(guān)態(tài)時電流和電壓的關(guān)系而言，十分重要。一個傳感器可按以下方式被歸為2線傳感器或3線傳感器。 

　　2線傳感器 

　　這種傳感器與數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備串聯(lián)，當傳感器未被激活時，它只吸收一個最小操作電流，這一電流值等于傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流，有些 傳感器廠商也稱之為殘余電流。當傳感器沒有連接數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備，而直接連接到其它負載上時，就不存在殘余電流問題，例如在工業(yè)環(huán)境中，這些2線傳感器就常常 直接連接到電機，以及類似電機的低阻設(shè)備。 

　　但如果傳感器所需的殘余電流高于數(shù)字I/O模塊能夠提供的電流，那么問題就出現(xiàn)了。這時數(shù)字I/O模塊可能會因為傳感器吸收的電流高于它準備提供的電流而錯誤地將關(guān)態(tài)檢測為開態(tài)。工業(yè)應用中的大多數(shù)2線傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流或殘余電流都不高于1.7毫安。 

　　與關(guān)態(tài)類似，傳感器要維持開態(tài)也需要一個最小電流，這就是最小保持電流(minimum holding current)，其值通常在3毫安到20毫安之間。如果數(shù)字I/O模塊不能吸收或提供該電流，那么傳感器將無法正常工作。 

　　3線傳感器并不直接通過數(shù)字輸出線獲取能量，而是從一個激勵終端獲取能量，某些廠商也將這種傳感器叫做線路驅(qū)動傳感器。這類傳感器從數(shù)字I/O模塊處吸收的電流叫做負荷電流，通常為20毫安左右。但注意，該電流是由激勵終端提供的。 

　　數(shù)字傳感器驅(qū)動電路 

　　按照實現(xiàn)傳感器輸出的電子元件分類。用于驅(qū)動數(shù)字傳感器輸出的電子元件通常有三種：機械繼電器、晶體管和雙向FET器件。 

　　機械繼電器是一種電磁器件，閉合觸點時能夠接通電路，斷開觸點時能夠切斷電路。這種器件能夠承受高壓下的電流負載。機械繼電 器相對于固態(tài)繼電器而言屬于低速器件，因此通常用于以線路狀態(tài)表征輸出結(jié)果的傳感器中。這種器件常出現(xiàn)的問題是觸點老化和阻抗增大，其觸點的壽命取決于電 流負荷和工作頻率。在與計數(shù)器或者數(shù)字I/O模塊連接時，機械繼電器有時會由于觸點反彈而輸出不確定的結(jié)果。 

　　晶體管是一種用于控制DC電流的固態(tài)器件，有兩種類型：NPN型和PNP型，通常在低直流電源的傳感器中用作輸出開關(guān)。圖2給出了一個NPN(電流吸收) 型集電極開路晶體管。 




　　雙向FET器件是以一種叫做雙向FET輸出的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點，但最重要的是它能夠直接與TTL和 CMOS電路接口，而且它具有關(guān)態(tài)泄漏電流低和響應速度快的特性。FET的意思是場效應晶體管，它是一種最適合于用作數(shù)字傳感器輸出的器件，因為其工作特 性接近理想模型。  

    數(shù)字傳感器I/O模塊的選擇 

　　在選擇數(shù)字I/O模塊時，我們必須回答以下三個問題： 

　　1． 傳感器輸出的數(shù)字信號的什么特征能夠表征傳感器的測量結(jié)果？從列表1你就能選擇一組數(shù)字I/O模塊。 

　　2． 傳感器的輸出是吸入型輸出還是泵出型輸出？表1同樣也提供了一組根據(jù)吸入和泵出能力分類的NI數(shù)字I/O板，如果你所采用的傳感器是吸入型輸出，那么你就需要選擇一塊泵出型輸入的I/O板，反之亦然。 

　　3． 用來實現(xiàn)傳感器輸出的是什么元件？這時我們可能就需要考慮傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流和開態(tài)最小保持電流。比較表2中傳感器的規(guī)格和數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備的規(guī)格，你就能選出最適合你傳感器的數(shù)字I/O設(shè)備。 


　　在選擇過程中，除了考慮電壓之外，以下兩個條件也必須受到重視(有時我們會將其忽略)： 

　　1. 傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流≤I/O板的低態(tài)最大輸入電流； 

　　2. 傳感器的最小保持電流≤I/O板的高態(tài)最大輸入電流。 

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