信号调理器——专为基于PC的控制

　　他还说：“信号调理模块需要消除的另一个现象是接地点回路。隔离器能够切断任何一条接地点回路。”
　　线性化也是我们需要考虑的一个问题。传感器利用某个物理量的变化产生电信号。例如，金属丝受到拉伸作用后，其电阻值会发生变化。我们可以利用这一现象来测量应力大小。一般来说，被测物理量的变化量与电信号的变化量之间基本呈线性关系。但是，单纯的线性传感器往往不能满足控制方面的实际要求。大多数情况下，测量环节需要作二阶甚至三阶的非线性误差修正。
　　Smith说：“在信号调理环节就进行线性化修正的优点在于：不必占用PC宝贵的时间进行数学计算（诸如泰勒级数展开之类）或查表修正。”
　　Keithley Instrument主管数据采集产品的市场总监Chuck Cimino说：“我一直很重视单位转换。当你实际使用一个控制时，你希望得到的可能是温度值、压力值和流量值，而不是电压值。难道你能够通过心算把多少毫伏相应转换为多少摄氏度吗？你会需要系统为你作这样的换算。”
　　他还说：“滤波器的地位十分重要。因为许多信号中包含了多余的频率成分。例如，接近度传感器会传送出轻微抖动引起的信号。”
　　因此，一个常规的信号调理子系统可能包括：
　　■ 电路隔离器——典型的就是光隔离器，通过把电信号转换为光信号，再转换回电信号，从而达到切断接地点回路以及限制跳变电压的目的；
　　■ 一个或多个放大器，用来调整传感器信号的幅值（包括线性化），同时满足阻抗、参考电位以及接地点电位方面的要求；
　　■ 一个或多个滤波器，用来限制电磁波的频率；
　　■ 最后还需要一个激励源。

信号调理模块包括了针对特定传感器而设计的隔离器、放大器、滤波器以及激励源。

　　配置方案
　　Padhye说：“现在，虽然新推出的产品已经开始将信号调理模块和数据采集模块整合在一套设备中了，但是我们仍然可以采购到专用的信号调理模块。这两种配置方案分别针对不同的应用场合。两者各有优势，也都是很常用的。针对信号数目庞大的系统，可以让每一组信号先经过调理，然后接入多路复用器的一个信道，再传送入数据采集模块。采用这种方案虽然无法达到很快的信号处理速度，但是可以带来巨大的经济效益。”
　　Nelson说：“我们要做的事情就是借助于一张符合Profibus网络协议的PCI卡，把信号传送到标准的输入/输出（I/O）子系统。”
　　Dataforth的Smith说：“大多数系统都被安装在符合NEMA标准的机箱机柜内，从而得到有效的保护。信号调理模块一般会被安装在这些机箱机柜的输入端（DIN）的金属框上。”
　　在过去几年中，欧洲地区首先开始把信号调理模块安装在金属框上，随后，这种做法在美国也得到了推广。金属框可以放在贴近平板或墙面的位置。信号调理模块的外壳一般是用耐高温塑料制成的，还有一个特殊的底边，可以粘在金属框架上。每一个这样的模块都会有一组导线与现场设备相连，还有另一组导线与DAQ的输入端相连。据Smith 介绍：“在把模块安装到金属框上的整个过程中，理清这些导线可以说是最令人头痛的工作了。”
　　另一种流行的信号调理电路配置方案是Smith所说的“插座式”模块。信号调理电路被封装在一个长度和宽度各为1英寸，厚度为1/2英寸的塑料壳体内。壳体的底部有连接电路板（背板）的插孔。一块背板一般包括了2组、4组、8组或16组信道。与计算机连接的导线通过后面板上的印刷电路连接到接口。如果要把信号调理模块连到DAQ的输入端，只要把连接导线的一端插入这个接口，另一端插入DAQ卡的输入接口就可以了。
　　第三种强大的配置方案是所谓的主机箱模式。机箱上提供了信号线、冷却装置以及电源接口，信号调理模块只要直接插入这些接口就可以使用了。计算机总线架构可以通过诸如VXI、ComPACtPCI、PXI之类的各种标准扩展成为与外接设备兼容的形式。名称中含有“XI”的标准是基于标准的计算机总线的，同时还提供了一些附加功能。例如，触发线就是仪器系统所需要的附加功能。具体来说，VXI是VMEbus的扩展标准，而PXI是PCIbus的扩展标准。
　　Smith说：“信号调理模块可以形成一组阵列。如果他们没有被封装在一个模块里，我很乐意把它们称为‘面包片’。它们是一种前面板很空的电路模块，前面板上可能只有一个电源指示灯或一些为工程师提供的测试点。”
　　信号调理模块一般都会为与现场设备的连接提供接口，从而为连接现场设备提供极大的便利。如果要断开与现场设备的连接，你就不必把整个模块从机箱上拆下来了。
　　Keithley的Cimino指出：“现在的PXI分为USB与FireWire两种形式，而LXI同时是设备和数据的以太网标准。LXI其实就是在标准的以太网协议上增加了定时处理以及另一些测量程序。”
　　据Cimono说，基于旧版的通用设备总线（GPIB）的设备仍然占据了网络设备9

　　作出选择
　　为PC控制系统选择信号调理器首先要考虑它是否与传感器配套。
　　国家仪器的Padhey说：“在提出方案之前，控制系统设计者必须了解系统所要处理的信号类型。只有当设计者初步了解了模拟、数字信号的数量和类型之后，信号调理模块才有用武之地：把信号转换到安全的、可测的水平。”　　

　　现在的半导体集成方法包括可以直接插入后面板、带有现场信号终端的高度压
缩信号调理模块，以及输入的线缆DAG。

　　信号调理模块的性能由传感器的性能所决定，每一种传感器都有对应的信号调理电路。针对J型热电偶传感器、应力测量仪以及各种不同配置方案下的传感器都有对应的信号调理模块。
　　为一套系统选择配置方案带有强烈的主观性，虽说在某些情况下应该选择何种方案是显而易见的。如果你把基于PC的控制电路与其它硬件设备一起安装在输入端的金属框上，那么你就应该把信号调理电路也安装在金属框上。如果你面对的恰好是一个基于Profibus协议的网络，那么你显然应该使用基于Profibus的方案。选择何种配置方案主要取决于你把信号输入DAQ卡和计算机中的方式。
　　位于法国和瑞士边界的欧洲核子研究中心（又名CERN）有一台大型粒子对撞机。在那里，如果某块电路安装在射线附近，强大的辐射场就会把它彻底摧毁。这种环境下，自控系统配置方案的选择余地就十分有限了。CERN的控制系统工程师Alessandro Masi选择了这样的方案：通过长达800米的电缆把信号接入位于远端PXI机箱内的信号调理模块。