信號(hào)調(diào)理器——專為基于PC的控制

　　他還說(shuō)：“信號(hào)調(diào)理模塊需要消除的另一個(gè)現(xiàn)象是接地點(diǎn)回路。隔離器能夠切斷任何一條接地點(diǎn)回路。”
　　線性化也是我們需要考慮的一個(gè)問題。傳感器利用某個(gè)物理量的變化產(chǎn)生電信號(hào)。例如，金屬絲受到拉伸作用后，其電阻值會(huì)發(fā)生變化。我們可以利用這一現(xiàn)象來(lái)測(cè)量應(yīng)力大小。一般來(lái)說(shuō)，被測(cè)物理量的變化量與電信號(hào)的變化量之間基本呈線性關(guān)系。但是，單純的線性傳感器往往不能滿足控制方面的實(shí)際要求。大多數(shù)情況下，測(cè)量環(huán)節(jié)需要作二階甚至三階的非線性誤差修正。
　　Smith說(shuō)：“在信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)就進(jìn)行線性化修正的優(yōu)點(diǎn)在于：不必占用PC寶貴的時(shí)間進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算（諸如泰勒級(jí)數(shù)展開之類）或查表修正。”
　　Keithley Instrument主管數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的市場(chǎng)總監(jiān)Chuck Cimino說(shuō)：“我一直很重視單位轉(zhuǎn)換。當(dāng)你實(shí)際使用一個(gè)控制時(shí)，你希望得到的可能是溫度值、壓力值和流量值，而不是電壓值。難道你能夠通過(guò)心算把多少毫伏相應(yīng)轉(zhuǎn)換為多少攝氏度嗎？你會(huì)需要系統(tǒng)為你作這樣的換算。”
　　他還說(shuō)：“濾波器的地位十分重要。因?yàn)樵S多信號(hào)中包含了多余的頻率成分。例如，接近度傳感器會(huì)傳送出輕微抖動(dòng)引起的信號(hào)。”
　　因此，一個(gè)常規(guī)的信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)可能包括：
　　■ 電路隔離器——典型的就是光隔離器，通過(guò)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，從而達(dá)到切斷接地點(diǎn)回路以及限制跳變電壓的目的；
　　■ 一個(gè)或多個(gè)放大器，用來(lái)調(diào)整傳感器信號(hào)的幅值（包括線性化），同時(shí)滿足阻抗、參考電位以及接地點(diǎn)電位方面的要求；
　　■ 一個(gè)或多個(gè)濾波器，用來(lái)限制電磁波的頻率；
　　■ 最后還需要一個(gè)激勵(lì)源。

信號(hào)調(diào)理模塊包括了針對(duì)特定傳感器而設(shè)計(jì)的隔離器、放大器、濾波器以及激勵(lì)源。

　　配置方案
　　Padhye說(shuō)：“現(xiàn)在，雖然新推出的產(chǎn)品已經(jīng)開始將信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊整合在一套設(shè)備中了，但是我們?nèi)匀豢梢圆少?gòu)到專用的信號(hào)調(diào)理模塊。這兩種配置方案分別針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。兩者各有優(yōu)勢(shì)，也都是很常用的。針對(duì)信號(hào)數(shù)目龐大的系統(tǒng)，可以讓每一組信號(hào)先經(jīng)過(guò)調(diào)理，然后接入多路復(fù)用器的一個(gè)信道，再傳送入數(shù)據(jù)采集模塊。采用這種方案雖然無(wú)法達(dá)到很快的信號(hào)處理速度，但是可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。”
　　Nelson說(shuō)：“我們要做的事情就是借助于一張符合Profibus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的PCI卡，把信號(hào)傳送到標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出（I/O）子系統(tǒng)。”
　　Dataforth的Smith說(shuō)：“大多數(shù)系統(tǒng)都被安裝在符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱機(jī)柜內(nèi)，從而得到有效的保護(hù)。信號(hào)調(diào)理模塊一般會(huì)被安裝在這些機(jī)箱機(jī)柜的輸入端（DIN）的金屬框上。”
　　在過(guò)去幾年中，歐洲地區(qū)首先開始把信號(hào)調(diào)理模塊安裝在金屬框上，隨后，這種做法在美國(guó)也得到了推廣。金屬框可以放在貼近平板或墻面的位置。信號(hào)調(diào)理模塊的外殼一般是用耐高溫塑料制成的，還有一個(gè)特殊的底邊，可以粘在金屬框架上。每一個(gè)這樣的模塊都會(huì)有一組導(dǎo)線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，還有另一組導(dǎo)線與DAQ的輸入端相連。據(jù)Smith 介紹：“在把模塊安裝到金屬框上的整個(gè)過(guò)程中，理清這些導(dǎo)線可以說(shuō)是最令人頭痛的工作了。”
　　另一種流行的信號(hào)調(diào)理電路配置方案是Smith所說(shuō)的“插座式”模塊。信號(hào)調(diào)理電路被封裝在一個(gè)長(zhǎng)度和寬度各為1英寸，厚度為1/2英寸的塑料殼體內(nèi)。殼體的底部有連接電路板（背板）的插孔。一塊背板一般包括了2組、4組、8組或16組信道。與計(jì)算機(jī)連接的導(dǎo)線通過(guò)后面板上的印刷電路連接到接口。如果要把信號(hào)調(diào)理模塊連到DAQ的輸入端，只要把連接導(dǎo)線的一端插入這個(gè)接口，另一端插入DAQ卡的輸入接口就可以了。
　　第三種強(qiáng)大的配置方案是所謂的主機(jī)箱模式。機(jī)箱上提供了信號(hào)線、冷卻裝置以及電源接口，信號(hào)調(diào)理模塊只要直接插入這些接口就可以使用了。計(jì)算機(jī)總線架構(gòu)可以通過(guò)諸如VXI、ComPACtPCI、PXI之類的各種標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展成為與外接設(shè)備兼容的形式。名稱中含有“XI”的標(biāo)準(zhǔn)是基于標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)總線的，同時(shí)還提供了一些附加功能。例如，觸發(fā)線就是儀器系統(tǒng)所需要的附加功能。具體來(lái)說(shuō)，VXI是VMEbus的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，而PXI是PCIbus的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。
　　Smith說(shuō)：“信號(hào)調(diào)理模塊可以形成一組陣列。如果他們沒有被封裝在一個(gè)模塊里，我很樂意把它們稱為‘面包片’。它們是一種前面板很空的電路模塊，前面板上可能只有一個(gè)電源指示燈或一些為工程師提供的測(cè)試點(diǎn)。”
　　信號(hào)調(diào)理模塊一般都會(huì)為與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接提供接口，從而為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供極大的便利。如果要斷開與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接，你就不必把整個(gè)模塊從機(jī)箱上拆下來(lái)了。
　　Keithley的Cimino指出：“現(xiàn)在的PXI分為USB與FireWire兩種形式，而LXI同時(shí)是設(shè)備和數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。LXI其實(shí)就是在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議上增加了定時(shí)處理以及另一些測(cè)量程序。”
　　據(jù)Cimono說(shuō)，基于舊版的通用設(shè)備總線（GPIB）的設(shè)備仍然占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備9

　　作出選擇
　　為PC控制系統(tǒng)選擇信號(hào)調(diào)理器首先要考慮它是否與傳感器配套。
　　國(guó)家儀器的Padhey說(shuō)：“在提出方案之前，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須了解系統(tǒng)所要處理的信號(hào)類型。只有當(dāng)設(shè)計(jì)者初步了解了模擬、數(shù)字信號(hào)的數(shù)量和類型之后，信號(hào)調(diào)理模塊才有用武之地：把信號(hào)轉(zhuǎn)換到安全的、可測(cè)的水平。”　　

　　現(xiàn)在的半導(dǎo)體集成方法包括可以直接插入后面板、帶有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)終端的高度壓
縮信號(hào)調(diào)理模塊，以及輸入的線纜DAG。

　　信號(hào)調(diào)理模塊的性能由傳感器的性能所決定，每一種傳感器都有對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。針對(duì)J型熱電偶傳感器、應(yīng)力測(cè)量?jī)x以及各種不同配置方案下的傳感器都有對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理模塊。
　　為一套系統(tǒng)選擇配置方案帶有強(qiáng)烈的主觀性，雖說(shuō)在某些情況下應(yīng)該選擇何種方案是顯而易見的。如果你把基于PC的控制電路與其它硬件設(shè)備一起安裝在輸入端的金屬框上，那么你就應(yīng)該把信號(hào)調(diào)理電路也安裝在金屬框上。如果你面對(duì)的恰好是一個(gè)基于Profibus協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，那么你顯然應(yīng)該使用基于Profibus的方案。選擇何種配置方案主要取決于你把信號(hào)輸入DAQ卡和計(jì)算機(jī)中的方式。
　　位于法國(guó)和瑞士邊界的歐洲核子研究中心（又名CERN）有一臺(tái)大型粒子對(duì)撞機(jī)。在那里，如果某塊電路安裝在射線附近，強(qiáng)大的輻射場(chǎng)就會(huì)把它徹底摧毀。這種環(huán)境下，自控系統(tǒng)配置方案的選擇余地就十分有限了。CERN的控制系統(tǒng)工程師Alessandro Masi選擇了這樣的方案：通過(guò)長(zhǎng)達(dá)800米的電纜把信號(hào)接入位于遠(yuǎn)端PXI機(jī)箱內(nèi)的信號(hào)調(diào)理模塊。