信號調理器——專(zhuān)為基于PC的控制

　　他還說(shuō)：“信號調理模塊需要消除的另一個(gè)現象是接地點(diǎn)回路。隔離器能夠切斷任何一條接地點(diǎn)回路。”
　　線(xiàn)性化也是我們需要考慮的一個(gè)問(wèn)題。傳感器利用某個(gè)物理量的變化產(chǎn)生電信號。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象來(lái)測量應力大小。一般來(lái)說(shuō)，被測物理量的變化量與電信號的變化量之間基本呈線(xiàn)性關(guān)系。但是，單純的線(xiàn)性傳感器往往不能滿(mǎn)足控制方面的實(shí)際要求。大多數情況下，測量環(huán)節需要作二階甚至三階的非線(xiàn)性誤差修正。
　　Smith說(shuō)：“在信號調理環(huán)節就進(jìn)行線(xiàn)性化修正的優(yōu)點(diǎn)在于：不必占用PC寶貴的時(shí)間進(jìn)行數學(xué)計算（諸如泰勒級數展開(kāi)之類(lèi)）或查表修正。”
　　Keithley Instrument主管數據采集產(chǎn)品的市場(chǎng)總監Chuck Cimino說(shuō)：“我一直很重視單位轉換。當你實(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轉換為多少攝氏度嗎？你會(huì )需要系統為你作這樣的換算。”
　　他還說(shuō)：“濾波器的地位十分重要。因為許多信號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。”
　　因此，一個(gè)常規的信號調理子系統可能包括：
　　■ 電路隔離器——典型的就是光隔離器，通過(guò)把電信號轉換為光信號，再轉換回電信號，從而達到切斷接地點(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)調整傳感器信號的幅值（包括線(xiàn)性化），同時(shí)滿(mǎn)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)激勵源。

信號調理模塊包括了針對特定傳感器而設計的隔離器、放大器、濾波器以及激勵源。

　　配置方案
　　Padhye說(shuō)：“現在，雖然新推出的產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始將信號調理模塊和數據采集模塊整合在一套設備中了，但是我們仍然可以采購到專(zhuān)用的信號調理模塊。這兩種配置方案分別針對不同的應用場(chǎng)合。兩者各有優(yōu)勢，也都是很常用的。針對信號數目龐大的系統，可以讓每一組信號先經(jīng)過(guò)調理，然后接入多路復用器的一個(gè)信道，再傳送入數據采集模塊。采用這種方案雖然無(wú)法達到很快的信號處理速度，但是可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。”
　　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，把信號傳送到標準的輸入/輸出（I/O）子系統。”
　　Dataforth的Smith說(shuō)：“大多數系統都被安裝在符合NEMA標準的機箱機柜內，從而得到有效的保護。信號調理模塊一般會(huì )被安裝在這些機箱機柜的輸入端（DIN）的金屬框上。”
　　在過(guò)去幾年中，歐洲地區首先開(kāi)始把信號調理模塊安裝在金屬框上，隨后，這種做法在美國也得到了推廣。金屬框可以放在貼近平板或墻面的位置。信號調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 )有一組導線(xiàn)與現場(chǎng)設備相連，還有另一組導線(xiàn)與DAQ的輸入端相連。據Smith 介紹：“在把模塊安裝到金屬框上的整個(gè)過(guò)程中，理清這些導線(xiàn)可以說(shuō)是最令人頭痛的工作了。”
　　另一種流行的信號調理電路配置方案是Smith所說(shuō)的“插座式”模塊。信號調理電路被封裝在一個(gè)長(cháng)度和寬度各為1英寸，厚度為1/2英寸的塑料殼體內。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。與計算機連接的導線(xiàn)通過(guò)后面板上的印刷電路連接到接口。如果要把信號調理模塊連到DAQ的輸入端，只要把連接導線(xiàn)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。
　　第三種強大的配置方案是所謂的主機箱模式。機箱上提供了信號線(xiàn)、冷卻裝置以及電源接口，信號調理模塊只要直接插入這些接口就可以使用了。計算機總線(xiàn)架構可以通過(guò)諸如VXI、ComPACtPCI、PXI之類(lèi)的各種標準擴展成為與外接設備兼容的形式。名稱(chēng)中含有“XI”的標準是基于標準的計算機總線(xiàn)的，同時(shí)還提供了一些附加功能。例如，觸發(fā)線(xiàn)就是儀器系統所需要的附加功能。具體來(lái)說(shuō)，VXI是VMEbus的擴展標準，而PXI是PCIbus的擴展標準。
　　Smith說(shuō)：“信號調理模塊可以形成一組陣列。如果他們沒(méi)有被封裝在一個(gè)模塊里，我很樂(lè )意把它們稱(chēng)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試點(diǎn)。”
　　信號調理模塊一般都會(huì )為與現場(chǎng)設備的連接提供接口，從而為連接現場(chǎng)設備提供極大的便利。如果要斷開(kāi)與現場(chǎng)設備的連接，你就不必把整個(gè)模塊從機箱上拆下來(lái)了。
　　Keithley的Cimino指出：“現在的PXI分為USB與FireWire兩種形式，而LXI同時(shí)是設備和數據的以太網(wǎng)標準。LXI其實(shí)就是在標準的以太網(wǎng)協(xié)議上增加了定時(shí)處理以及另一些測量程序。”
　　據Cimono說(shuō)，基于舊版的通用設備總線(xiàn)（GPIB）的設備仍然占據了網(wǎng)絡(luò )設備9

　　作出選擇
　　為PC控制系統選擇信號調理器首先要考慮它是否與傳感器配套。
　　國家儀器的Padhey說(shuō)：“在提出方案之前，控制系統設計者必須了解系統所要處理的信號類(lèi)型。只有當設計者初步了解了模擬、數字信號的數量和類(lèi)型之后，信號調理模塊才有用武之地：把信號轉換到安全的、可測的水平。”　　

　　現在的半導體集成方法包括可以直接插入后面板、帶有現場(chǎng)信號終端的高度壓
縮信號調理模塊，以及輸入的線(xiàn)纜DAG。

　　信號調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應的信號調理電路。針對J型熱電偶傳感器、應力測量?jì)x以及各種不同配置方案下的傳感器都有對應的信號調理模塊。
　　為一套系統選擇配置方案帶有強烈的主觀(guān)性，雖說(shuō)在某些情況下應該選擇何種方案是顯而易見(jiàn)的。如果你把基于PC的控制電路與其它硬件設備一起安裝在輸入端的金屬框上，那么你就應該把信號調理電路也安裝在金屬框上。如果你面對的恰好是一個(gè)基于Profibus協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )，那么你顯然應該使用基于Profibus的方案。選擇何種配置方案主要取決于你把信號輸入DAQ卡和計算機中的方式。
　　位于法國和瑞士邊界的歐洲核子研究中心（又名CERN）有一臺大型粒子對撞機。在那里，如果某塊電路安裝在射線(xiàn)附近，強大的輻射場(chǎng)就會(huì )把它徹底摧毀。這種環(huán)境下，自控系統配置方案的選擇余地就十分有限了。CERN的控制系統工程師Alessandro Masi選擇了這樣的方案：通過(guò)長(cháng)達800米的電纜把信號接入位于遠端PXI機箱內的信號調理模塊。