應用隔離信號設計 改善工控網通信號品質

整合多感測器輸出至PLC端，使用數位隔離與資料串列化傳輸，可簡化相關線路設計。maxim integrated

在工業網路應用中，多樣化的數位感測器其信號以數位化數據傳輸為主，雖然說數位信號已可較類比信號提供更高的抗雜訊、減低環境噪訊干擾問題，但實際上工業生產環境的自動化設備以大電力驅動為主，伺服馬達造成的電力不穩與干擾都會影響到數位信號傳輸…

感測器可以說是發展工業自動化生產的基礎，尤其是多樣化的數位感測器，可檢測產線的各種運行狀態與判斷自動加工工序開何時處理與何時停止，透過各式感測器部署於產線的各個階段，可以在極少人工介入的前提下完成自動化量產的整合目標。

工業網路應用環境惡劣  控制與感測信號需加強傳輸要求

雖說自動化生產可節約人力、增加生產效率，但較大的問題是生產現場大多處於惡劣環境，若是生產工件需高熱加工，或是高震動的自動沖壓設備處理程序，生產流水線現場肯定會處於高溫、高震動、高落塵等惡劣環境條件，但為了達到自動化生產目的，自動化工程師勢必得在這類加工環境設置部署感測器，再搭配工控網路整合利用遠端控制與檢視目前加工處理現況。

但數位化感測器在生產現場，主要是獲取現場加工工序處理判斷資訊，如加工件目前完成狀態、位於生產線何處？加工材料供應是否充足不中斷？而感測器可能會部署在給料機、自動化控制加工手臂、自動焊接機、自動沖壓機等生產設備，同時在感測器週邊也會部署伺服馬達、驅動器等中？大電力設備，甚至加工工法本身也可能產生影響感測結果正確性的問題。

生產線控制設備干擾大  增加感測線路傳輸設計難度

在生產流水線的感測器部署，可廣泛用在工業控制、自動化控制、馬達控制、製程自動化整合，基本上所有產線或是部分加工站的感測器輸出，都需要彙整到控制設備，轉由中央處理器搭配自動化程式進行分析、判斷與進行控制決策，進而達到單一加工站或是整條產線僅需部署少許人力協助排除。

為了實踐自動化生產目的，自動化工程師多半會在產線部署可程式邏輯控制器PLC(programmable logic controller)，在PLC的輸入端為了隔離生產環境的雜訊干擾，通常會在輸入端設置高功率的電阻，來檢測感測器所傳送來的電壓，為了達到隔離每個感測線路，可以再搭配將壓電信號轉換成光信號的光耦合器，利用抗干擾效果更佳、較不受溫度、電磁干擾的光電信號傳輸感測器的偵測數據，使用更高S/N比的信號提升感測器傳回數據的品質。

運用隔離電源？數據傳輸設計  提升傳輸數據品質

對生產現場來說，避免雜訊干擾即可獲得相對順暢的生產處理，將感測信號透過光耦合器的轉換，由壓電信號轉換成光信號後，就可以讓後端的分析與決策程序有更精確無誤的資料參考來源，在感測器轉換信號後也有助於以更高速的條件傳送感測現況，讓感測端與後端決策的時間誤差盡可能縮短，減少因為傳送時間延遲問題造成錯誤誤操作或是降低加工效能。

而用光耦合器轉換的優點相當多，基本上可以利用獨立的光耦合器區隔不同線路的轉換信號，達到每個信號更獨立、不互相干擾問題，這也能讓整合與佈署自動化產線感測器的工作更簡單直覺許多，而根據需求的複雜度差異，一個系統通常需要多個光耦合器搭配使用。

傳統設計PCB佔位面積大  線路複雜不利整合

而在實際的整合需求上，會發現在將感測器的壓電信號轉換至光信號輸出，其實在電阻分壓器端的功率消耗也會因為線路不同會有或大或小的功率消耗產生，而轉換光信號前的壓電信號處理，將會導致增加的功率會於電阻上轉換成熱能散逸，而電阻整合於PCB(Printed circuit board)電路載板上，電阻料件用料需使用高功率耐受的元件，元件本身也需要針對實際操作的需求確認是否加裝散熱鋁擠型鰭片或是設置散熱器，若將多感測器的訊號處理模組整合，也需一注意高通道數量的信號轉換散熱需求。

而高感測器通道數量增加，也會造成模組的設計難度，而多光耦合器會導致系統功耗提升、可靠性降低，多埠的光耦合器也會造成PCB佈線複雜度增加同時增加系統成本，反而採行線路密度較高、簡單隔離設計之數位輸入介面整合，可避免線路過於複雜與設置成本過高問題，實用性也更高。

使用信號序列化設計方案  簡化隔離設計複雜度

因應多埠的感測信號轉換需求，其實也可借鏡數位信號序列化的設計概念，一來將原有單埠即一組光耦合轉換線路的需求，改透過數位信號的序列化節約線路的載板空間，同時，轉換線路亦可搭配信號偵錯處理，提升簡單介面的數據傳輸可靠度，搭配線路的限流設計降低電路整體功耗，使轉換信號電路不僅可在更低功耗下運行，還可以更簡化的電子電路、更低的元件成本達到相同的信號傳遞與轉換需求。

實務的應用環境可善用SPI(Serial Peripheral Interface)設計方案，將多組感測器輸出彙整成簡化的序列傳輸信號，透過單組SPI介面可以串接多通道數位輸入，同時可以在該方案整合多輸入的應用需求，而且單組SPI介面能夠將感測器端的感測數據傳送至PLC進行處理，而不用再增加隔離處理，這也可以用來減少簡化隔離線路的元件用料與縮小載板佔位面積，可讓單位面積的PCB載板的處理通道多更多。

目前這些線路轉換需求，已有晶片業者提出應用解決方案，對應PLC所需的數位輸入模組應用的介面電路需求，提供整合數位輸入轉換、串列傳輸介面、數位隔離器等應用目的，相關方案可以支援高電壓輸入、電源電路與資料電路隔離的設計，相較自動化工程師要自行整合來說，使用對應晶片產品以積體電路尺寸就能達到應用需求，也能使用更簡單的方式部署工控網路所需的線路整合。

透過數位輸出進行電平轉換，應用限流設計有效節省電源消耗外，再使用串列化傳輸數據與信號調節應用，即可將生產現場不同感測器的回傳信號轉換成控制器要求的相容信號，透過數位化方案簡省隔離電路所需的光耦合器原件，而SPI信號的傳輸數據內容還可搭配CRC(Cyclic redundancy check)進行數據驗證，更進一步確保了傳輸數據的品質與可靠度，提升工業生產應用環境感測器數據傳輸的正確性，同時也能增加現場線路部署的靈活度。