摘要：工業(yè)生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中，多通道模擬采集是現(xiàn)場物理量監(jiān)測的常用方法。在進(jìn)行多個檢測點同時采集數(shù)據(jù)時，由于多路采集信號存在不同的地電勢造成各信號通道之間的相互干擾。為了消除干擾，工業(yè)應(yīng)用中的測量系統(tǒng)設(shè)計中會加入電氣隔離。   本文列出了多通道模擬采集的幾種隔離方案，分析了各種隔離方案的可靠性及適用環(huán)境。

關(guān)鍵字：多通道采集、信號隔離、隔離放大器、隔離變送器

一、引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中，工業(yè)現(xiàn)場需要監(jiān)測電壓、電流、溫度、壓力、應(yīng)力及流量等多種現(xiàn)場物理量，綜合成本和適用性考慮，DCS的I/O板卡以及信號傳輸?shù)壬婕暗叫盘柌杉牟糠侄疾捎枚嗤ǖ赖哪M采集的技術(shù)。工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境常會涉及危險級電壓、瞬態(tài)信號、共模電壓及不穩(wěn)定地電位，可能會損壞測量系統(tǒng)，降低測量精度。為了克服以上缺陷，工業(yè)應(yīng)用中的測量系統(tǒng)設(shè)計會加入電氣隔離。

二、不隔離、組隔離、點隔離的模擬多通道采集方案

工業(yè)現(xiàn)場的多通道采集系統(tǒng)設(shè)計，綜合現(xiàn)場的電氣環(huán)境與實際設(shè)計成本的考慮，一般分為三種隔離方案：不隔離、組隔離、點隔離。

1、不隔離

不隔離的多通道模擬采集方案如圖1，這種采集方案的缺點在于，從工業(yè)現(xiàn)場來的各路模擬量信號都存在不同的地電勢，模擬多路器無法完全消除這些共模電壓差異，會造成各信號通道之間的串?dāng)_；如果共模電壓過大，甚至?xí)龤д麄€系統(tǒng)。所以一般采用不隔離方案的模擬多通道采集設(shè)計，都需要在信號輸入前端用多個隔離柵設(shè)備進(jìn)行電氣隔離，以提高系統(tǒng)抗干擾度，增加系統(tǒng)可靠性。

圖1

2、組隔離

組隔離的多通道模擬采集方案就是將多路輸入信號分組進(jìn)行隔離，以減小共模干擾產(chǎn)生的幾率。組隔離的方案，仍然不能完全消除未分組的信號通道之間的共模電壓差異而引起的串?dāng)_問題。如果多路輸入的信號來源于同一個設(shè)備或電氣環(huán)境，選用組隔離的方案可以節(jié)省成本，相應(yīng)的共模干擾問題也小很多。

一般組隔離有兩種方式，一種是數(shù)字隔離方案，如圖2（組隔離方案的其中一組AI1~AI4）。這種采集方案，利用數(shù)字隔離器件和DCDC隔離電源將采集板后端的MCU系統(tǒng)與前端的信號調(diào)理電路和ADC電路隔離開來，實現(xiàn)了對MCU系統(tǒng)的保護(hù)，但是各通道信號輸入端的共模干擾會造成采樣精度下降，而且一般ADC器件的共模輸入范圍較小，這種方案會存在因共模電壓過高造成ADC器件的損壞，進(jìn)而使得整個系統(tǒng)無法正常工作的風(fēng)險。

圖2

另一種是模擬隔離方案，如圖3（組隔離方案的其中一組AI1~AI4）。這種組隔離方案較數(shù)字隔離方案的不同在于采用了隔離放大器；利用隔離放大器、DCDC隔離電源、數(shù)字隔離器將MCU系統(tǒng)和ADC采集子系統(tǒng)與前端的輸入信號進(jìn)行了有效隔離，很好的實現(xiàn)了對MCU系統(tǒng)和ADC采集子系統(tǒng)的保護(hù)，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性，同時利用隔離放大器的信號調(diào)理功能代替了原來的信號調(diào)理電路（AMP），簡化電路設(shè)計。這個方案相對數(shù)字隔離方案增加了隔離放大器的成本，但省掉了信號調(diào)理電路，而且目前很多MCU都集成了ADC電路，如果利用MCU內(nèi)部的ADC電路，還可以節(jié)省ADC器件的成本，整體來說，成本增加不明顯，但可靠性更高。

圖3

廣州金升陽科技有限公司推出的隔離變送器模塊產(chǎn)品不僅包含隔離放大器的功能，同時還能提供一組隔離的DCDC電源，采用這種隔離變送器模塊產(chǎn)品不僅可以簡化信號調(diào)理電路的設(shè)計，同時也可以簡化電源設(shè)計。如圖4，利用隔離變送器模塊實現(xiàn)的組隔離的模擬隔離方案。

圖4

 3、點隔離

點隔離的多通道模擬采集方案就是將多路輸入信號的每個通道進(jìn)行單獨的隔離，消除共模干擾影響，消除通道間的串?dāng)_問題，避免了系統(tǒng)因共模電壓及不穩(wěn)定地電位造成損壞的問題。其方案圖如圖5，采用多個隔離放大器實現(xiàn)每個通道的相互電氣隔離，同時完成每個通道的信號調(diào)理，通過模擬多路器傳送到ADC。這種隔離方案，在信號輸入的最前端進(jìn)行電氣隔離，使得來自于不同工業(yè)現(xiàn)場儀表的輸入信號之間相互電氣隔離，避免了共模電壓影響及通道串?dāng)_問題，不僅對后端的采集系統(tǒng)整體電路形成了完整的保護(hù)，同時還保護(hù)了各個通道所聯(lián)接的現(xiàn)場儀表。點隔離方案的多通道模擬采集系統(tǒng)的可靠性最高，成本相對其它兩種方案也較高，但從整個自動化系統(tǒng)來考慮，點隔離方案可以省略采集系統(tǒng)前級的隔離柵設(shè)備，使得整個自動化系統(tǒng)的成本大大的降低了。

圖5

三、小結(jié)

上面列出的幾種模擬多通道采集的隔離方案，點隔離方案抗干擾性最好，可靠性最高，適用于輸入信號來源于不同設(shè)備或電氣環(huán)境，現(xiàn)場電氣環(huán)境比較惡劣的情況；組隔離方案適用于同一組的多路輸入信號來源于同一個設(shè)備或電氣環(huán)境，組隔離的模擬隔離方案實現(xiàn)了對采集系統(tǒng)內(nèi)部ADC子系統(tǒng)的保護(hù)，其可靠性要高于組隔離的數(shù)字隔離方案；工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境一般不采用不隔離的方案，不隔離的采集方案，一般需要在信號輸入前端用隔離柵設(shè)備做各個通道的電氣隔離。從整個自動化系統(tǒng)的整體設(shè)計來看，采用點隔離方案能夠節(jié)省采集系統(tǒng)前級的隔離柵設(shè)備，同時又有較高的抗干擾性和可靠性，從經(jīng)濟(jì)性及適用性來說都值得選用。