西门子模块6ES7518-4TP00-0AB0现货供应

随着网络技术向工业控制领域的渗透，产生了工业控制网络，它广泛地应用于对生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检测、监视或控制，技术上要求具备高度的可靠性，实时性和安全性。它的网络节点除了常规微机、工作站以外，更多的是具有计算与通信能力的智能电器设备和仪表。因此，智能电器的主要特征就是：产品内嵌微处理器，有通信接口，能与现场总线连接，且采用网络标准化结构等，它不仅完成对现场的各种控制任务，而且还肩负着各类信息的网络远程采集、传输和控制功能，即实现信息控制与管理的网络化。随着目前控制网络结构形式的迅速发展，协议种类增多而协议标准各异，造成诸多问题，开始影响控制网络的进一步发展，而且也成为影响智能电器的研发、产品化、工程应用与推广的主要因素。因此，智能电器作为控制网络中的一个节点，应用场合往往是工业现场，在目前多种总线系统并存的情况下，控制网络的互联技术和智能电器控制网络规范研究成为用户和厂家关心的焦点问题。目前的研究与应用主要采用系统级集成（基于OPC的系统级集成方法）和设备级集成（基于网关的设备级集成）的方法来解决异构控制网络互连问题。

　　1 基于Devicenet总线的控制网络系统结构

　　智能电器设备实现信息控制与管理的网络化，就是从传统的现场开关量、模拟量信号控制方式转化为通过现场总线构成的网络控制方式，实现网络化、开放式、分散式、全数字化控制。基于Devicenet总线的控制网络系统结构如图1所示，主要由三部分组成：DeviceNet总线、上位机（主站）和智能电器节点（从站）。

拨码开关及LED显示由8位拨码开关、数据缓冲器74HC245和2个LED组成。其中8位拨码开关的二位用作Devicenet三种波特率的设定，六位作为智能电器节点地址的设定（总线多可挂64个节点）。2个LED的显示组合用于显示节点通信的状态和I/0模块的状态。

　　2.2数据采集I/0电路

　　主要由AI/AO（模拟量输入／输出）DI/DO（数字量输人／输出）等组成，在单片机的控制下，通过Devicenet总线通信接口，将智能电器的各类数据发送给上位机或者将上位机的控制命令与数据输入给智能电器。因此，本部分电路根据实际智能电器所具有的功能不同而不同。本设计采用了8路AI、2路AO和8路DI、8D0。AI通过CD4051距阵单元构造的组合逻辑，由单片机进行地址选通，经过串行A/D MAX 1247进行A/D转换；D/A转换由具有两路模拟量输出的MA X532实现；数字量输人／输出由数据缓冲器74HC245／数据锁存器74HC37和光耦组成。

　　另外，Devicenet总线上提供的电压为+24V，而控制系统使用+5V，因此需要对总线电压进行转换，采用DC-DC电源模块HZD05 -24SOSJ实现24V到5V的单路转换。

　　　3 Devicenet应用层协议分析及软件设计

　　Devicenet协议规范是描述DeviceNet设备之间实现连接和交换数据的一套协议，采用面向对象的方法来进行描述。应用层软件设计需要在熟悉DeviceNet协议的基础上，建立I/0节点设备的对象模型。清楚对象的属性和行为、对象间的相互作用、对象的状态转变的触发条件、不同状态下对象可执行的操作等，然后再进行各个类的编写及主程序的设计。

　　 3.1 Devicenet的报文传送

　　与通信链接有关的两类报文I/0报文和显式报文。I/0报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据。I/0报文数据帧中的8字节数据场不包含任何与协议有关的信息，只有当I/0报文为大报文经过分割后形成的I/0报文片段时，数据域中有一个字节由报文分段协议使用。连接标识符提供了I/0报文的相关信息，在I/0报文利用连接标识符发送之前，报文的发送和接收设备都必须**行设定。设定的内容包括源和目的对象的属性，以及数据生产者和消费者的地址。显式报文适用于2个设备间多用途的点对点报文传递，是典型的请求-响应通信方式，常用于节点的配置、问题诊断等，如设定属性、获取属性等。

　　3.2 I/0节点设备的对象模型描述

　　每个设备为一个节点，节点是对象集合的模型。节点中定义了一定数量的对象类、实例属性及行为。模型为每个属性提供了由4个数字组成的寻址方案，分别是节点地址（MAC ID）、对象类标识符、实例编号和属性编号。这4级地址与显示报文连接相结合，将数据从Devicenet网络上的一点传送到另一点。本设计节点设备的对象模型如图4所示。其中应用对象有：8个模拟量输人对象,2个模拟量输出对象、8个数字量输人对象、8个数字量输出对象，每个对象对应一个真实的输人／输出点。可见，它定义设备对外部物理接口的行为，如与其他设备的连接等

连接对象（Connection bbbbbb）：分配和管理与I/0信息和显式信息连接有关的内部资源。所有的服务、属性均可使用显式信息连接来获取。I/0连接对象负责接收主站下发的轮询命令报文，并发送轮询响应报文给主站；显式连接对象负责接收主站下发的显式请求报文，并发送显式响应报文和未连接响应报文给主站以建立连接。

　　报文路由对象（Message Router bbbbbb）：路由器显式报文相对应的对象，可将报文路由器到设备中任何对象或实例的通信连接点。

　　标识对象（Identity bbbbbb）：提供设备的，一般标识信息。标识对象的实例属性在主站扫描时通过显式报文读人，主站通过这些属性值识别节点的类型。标识对象包括供货商ID,设备类型、产品代码、产品名称以及设备版本等。

　　设备网对象（Devicenet bbbbbb）：提供物理连接的状态和配置重要信息，其实例属性包括介质访问控制标识符（MAC ID）和波特率等。另外，还负责组2未连接显式请求报文的接收和节点地址重复检测报文的收发。

　　除上述四项所有节点设备必须的对象以外，针对不同的Devicenet节点，应设置不同的组合对象、参数对象和应用对象。参数对象用于在带有可配制参数的设备中，参数对象为配制工具访问所有参数提供标准的方法。

　　组合对象的主要任务是将来自不同应用对象的不同属性组合成一个能够随单个报文传送的属性。设备的输人／输出数据利用组合对象来结构化，其实例属性定义了数据是输人还是输出，并定义了数据来源（应用对象的类编号、实例编号和属性）。本设计组合对象有：轮询输入组合对象，负责把8个模拟量/8个数字量输人对象的数据打包，供I/0轮询连接对象使用；轮询输出组合对象，负责把I/0轮询连接对象收到的数字量输出和模拟量输出解包，供开关量输出对象和模拟量输出对象使用。　
　
　　例如，对8个模拟量采样输入，并将数据存储在该对象的VALUE属性中，可由外部命令（输入状态改变，周期数据触发器等）触发模拟值的采样。模拟量输人点对象的实例、属性的定义如表1所示。在此实例属性中，有一个可配置的属性（ID=7），因此可选择一个参数对象，提供一个到设备设置数据的公共接口08输入8输出数字I/0数据，选择的实例为组合实例4和组合实例34

近年来，发光二极管(简称LED)的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯(简称CCFL)类似的水平。这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓： 汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。
      大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样，LED不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致坏状况：完全失效。与白炽灯相比，虽然大功率LED具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。

      设计LED驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到高值，LED芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要通过降低高容许电流，即降低额定值，来实现降温。LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。

      利用无温度依赖性的电源运行LED存在弊端：在高温区域内，LED则超出规格范围运行。此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。如图1的绿色曲线所示，通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称PTC热敏电阻)来控制LED电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处：

      *在室温下增加正向电流，从而增加光输出

      *因为可以减少LED使用量，所以可以使用价格较低的驱动集成电路(简称IC)乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本

      *实现无需IC控制的驱动电路设计，此电路亦可使LED电流随温度改变

      *能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的LED

      *过热保护功能提高了可靠性

      *带散热片的热机械设计更为简单

      大多数LED用驱动电路形式具有一个共同点：即流经LED的正向电流是通过固定电阻进行设置(参见图2)。一般说来，流经LED ILED的电流取决于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不随温度而变，因此LED电流也不受温度影响。

      将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对LED电流的温度管理。下列图表阐明了如何使用PTC热敏电阻来改善标准电路。

      示例1：有反馈回路的恒流源

　　其恒流源包括一条反馈回路。当调节电阻两端的反馈电压达到因IC而异的VFB时，LED电流就不变了。LED电流因而被稳定在ILED=VFB/Rout。

　　上一电路改良型：此电路借由PTC热敏电阻，生成随温度变化的LED电流。通过正确选择PTC热敏电阻、Rseries以及Rparallel，此电路与专用驱动IC和LED组合相匹配。其中，LED电流可经由下列方程式计算得出：

　　电路阐明了LED电流(参见图3)的温度依赖性。与针对高运行温度为60度的恒流源相比较，使用PTC热敏电阻后LED电流可在0度和40度之间提升达40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

　　电路2为另一常见的恒流源电路：电流通过连接驱动IC的电阻得以确定。然而在这种情况下，调节电阻并未与LED串联。Rset和ILED之间的比率由IC规格明确。因此，运用20kW的串联电阻和英飞凌科技所产的TLE4241G型驱动IC，终产生的LED电流为30mA。图4所示为标准电路改良型，其中也含有一个PTC热敏电阻，尽管此处采用的B59601A系列PTC热敏电阻(型号0603)的电阻为R25=470W。在感测温度(可设定为以10度递增)，元件电阻可达4.7kW，且容许误差值为±5℃(标准系列)或±3℃(容许误差值**系列)。

　　随外界温度而变化的LED电流。固定电阻Rseries容许误差范围小，在低温时支配总电阻。只有在低于PTC热敏电阻的感测温度大约15 K时，由于PTC热敏电阻的阻值开始增加，电流才会开始下降。在感测温度(总电阻=Rseries+RPTC=19.5kW+4.7kW=24.2kW)时的电流大约为23mA。PTC电阻在温度更高时急剧上升，迅速引发断路，从而避免因温度过高出现故障。

　　LED也可在无驱动IC的情况下工作。图示电路是通过车用电池驱动单一200mA LED。稳压器生成5 V的稳定电源电压Vstab，以避免电源电压出现波动。LED在Vstab处运作，电流则通过与LED串联的电阻元件Rout决定。在这类电路中，通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流，在此等式中，VDiode是一个LED的正向电压：

　　另一做法是将B59940C0080A070型号的径向引线式PTC热敏电阻(R25=2.3W)以及两个固定电阻相组合后，替代上述固定电阻， 由于LED电流的绝大部分流经PTC热敏电阻本身，因此需要选择一个较大的径向引线式元件。体积小许多的片式PTC将因为流经电阻本身的电流而导致发热，因此会一直减少电流，无论环境温度为何(如图5所示)。并联两个或更多片式PTC热敏电阻会将电流分流，但此方案仍存在局限性。

　　电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。这两个电阻也在改进电路方面也起到重要作用，因为它们将产生的LED正向电流的允差保持在较低水平。这在正常工作温度范围内尤其重要，因为此时PTC热敏电阻本身的阻值允差仍较高。第二个并联固定电阻也能确保PTC不会在极端高温情况下彻底关闭LED，因此，电流不会降至低于下列等式计算的所得值：

      这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要，因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。

      背景资料：LED的温度依赖性

      像所有半导体一样，LED的高容许结点温度不能超过，以免导致过早老化或者完全失效。如果结点温度要保持在临界值以下，那么外界温度升高时，高容许正向电流则必须下降。不过，如果运用散热器，在特定的外界温度时正向电流可以增加。LED的光输出随着芯片结点温度的升高而下降。上述情况主要发生在红色和黄色LED，白色LED则与温度关系较小。光照效率和正向电流保持同步增长，不过，安装在结层和环境之间的LED所具备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用，这是因为随着结点温度的上升，发射光会降低。

      此外，当结点温度上升且LED正向电压与温度保持同步增长时，发射光的主波长会以+0.1 nm / K的典型速率增长。

移动、智能、PDA以及媒体播放器等当今便携式消费类电子产品均拥有非常丰富的特性与功能。这些产品高、中、低端一应俱全，其性能水平和体积大小也各不相同。总体说来，便携式应用的尺寸越来越小、功能越来越丰富、性能也越来越高，但功耗却一直居高不下。

　　相关示例数不胜数，如超过300万象素可拍照手机的高分辨率摄像头、电流超过1A的单个高功率闪光灯LED或数码相机中的氙气闪光灯、智能或媒体播放器中的音频或功放系统，以及大多数便携式应用中均配备的高分辨率LCD显示屏等。

　　设计师面临着必须同时满足静态和动态电源管理需求的挑战。随着便携式产品的功能日益丰富，应用对单电源也提出了更高的要求，从而导致电量消耗显著加大，电池使用寿命相应缩短。

　　另外，模拟与数字基带处理器单元、中央处理器主机，尤其是各种新推出的图形及音频专用处理器等，无论在**性还是在集成度方面都在不断提升。随着产品功能的增多，IC的集成度也随之提升，因此需要更多的电源轨，或在同样数量的电源轨上施加更高的电源电流。

　　大多数便携式消费类产品均使用标准的高性能锂离子电池(通常为单电池配置)。鉴于电池电量有限，制造商不得不在下列两种情况中做出决断，要么为用户提供功能丰富的应用但忍受较短的电池使用寿命，要么牺牲应用的功能丰富性而确保较长的电池使用寿命。但当今的消费者既希望获得高端产品，同时又要求电池具备超长使用寿命。

　　便携式系统中的动态电压缩放(Vbat大于Vrail)

　　锂离子电池技术中常见的电压范围是4.2V~3.0V。新的电池或未来的化学技术一方面将实现高达4.5V的电压，另一方面需要将放电截止电压降低至3V。这就意味着可用的输入电压范围变得更为宽泛了，因而也就可以在该范围内添加更多的电压轨。

　　当今的系统电压轨通常低于3V(如处理器内核电源、I/O电源及内存电源)或高于5V。这些电压轨通常由分立LDO或低功率DC/DC转换器、多通道电源管理单元(PMIC)或模拟基带(ABB)单元等其他来源产生。电源管理设计为各种处理器提供了必要的电压轨、正确的电压及电流大小。如果应用切换到“关闭”或预定义的“省电”模式，通常情况下，所有的处理器及电源管理器件都会进入轻负载或待机模式。这样，电压电平将会降低，流耗也降至低。在佳情况下，每个IC仅消耗几个uA的电流。上述情况是静态的，一旦电源管理设计完成，电压轨受到影响的可能性极小。

　　近期推出的分立式低功率降压DC/DC转换器及高集成度多通道电源管理单元(PMIC)已经具备了串行I2C接口能力。随着串行接口在分立电源管理器件中的使用，将进一步减少对电压轨的影响。通过将软件工具、处理器控制功能与串行标准I2C接口相结合，数字单元与模拟电源管理IC之间实现了前所未有的高性能信息交换。电压、电流以及功率的实时调整成为现实。另外，还可实现对电源管理及监控的软件控制，因而在现有的满负载到系统待机模式之间可以存在多种省电模式。

　　I2C接口有三种不同的速率选项：标准100kbps、快速400kbps以及高速3.4Mbps。利用分立式低功耗DC/DC转换器或PMU，设计师现在可以动态地**调整分立电源管理器件的输出电压，进而调整任何处理器单元的内核供电电压。这种设计需要使用快速DC/DC转换器。例如，开关频率为3MHz以上的转换器可确保快速信号的瞬态响应。另外，低功耗DC/DC转换器或PMU应具备不同的工作模式，如PFM或强制PFM，以便通过自调节或通过I2C控制信号进入某项工作配置。

　　该设计可在不牺牲整体性能的情况下**满足系统性能需求。因此使每种工作条件或处理器模式的功耗均实现低，从而延长电池使用寿命、减少器件发热量并增强整体系统性能。

　　DC/DC转换器及具有I2C接口的电源管理IC

　　例如，单通道低功耗DC/DC转换器TPS62350可支持所有三种I2C速度模式。采用微型12球栅芯片级封装(CSP)的降压转换器可在单个锂离子电池的输入电压范围内提供高达800mA的输出电流，效率高达90％。利用I2C接口可调整输出电压以支持新一代的处理器及具有12.5mV“微小步长”、小输出电压为0.6V的电源轨。可编程DC/DC转换器有助于延长3G智能、PDA、数码相机及其他便携式应用的电池使用寿命。

　　借助I2C接口降低功耗的另一种方法是采用像TPS65020这样的器件。这种高度集成的PMIC具有六个输出信道、三个低功耗DC/DC转换器以及三个LDO，效率高达97%。

　　I2C可以动态地调整并测量通常为处理器内核供电的主DC/DC转换器的输出电压。另外两个DC/DC转换器可用于为I/O电源、存储器或其他电源轨供电。此外，通过I2C也可以使不同的构建块(如IC上所有三个LDO或DC/DC转换器)在“开/关”之间切换，以降低整个PMU的功耗及发热量。“关闭”不同的构建块也可动态降低静态电流的消耗。

　另一种方法是使用DC/DC转换器的预设输出电压。TPS62400是一款双通道的降压转换器，该器件不带I2C接口，但具有被称为“Easyscale”的单线接口。通过Easyscale，我们可以在运行过程中访问并更改存储于器件EEPROM中的预定义输出电压。根据所选输出电压的范围(0.7V～6.0V)，电压步长(Voltage step)可小至25mV、50mV或100mV。

　　动态电压测量可降低整体功耗、优化系统性能并延长电池使用寿命。可根据器件活动、工作模式以及温度变化等动态控制电压大小、频率及功率预算，以使电源系统更灵活。

　　便携式系统中的降－升压DC/DC转换器(Vbat等于Vrail)

　　另一方面，摄像模块、音频放大器、内存卡以及其他子系统需要数倍于3.1V、3.3V或3.6V的电源电压。当电池电压超过目标电压轨时，根据定义则电源功率级需要降低电池电压；反之，则升高电池电压。有多种解决方案都可解决 
这一难题，如SEPC、反向转换器(Flyback Converter)或级联式升、降压转换器。每种解决方案都各有其自身的优劣势，但都无法同时实现小的体积和高的效率。

　　新解决方案是近期推出的一款高集成度降－升DC/DC转换器TPS63000。该转换器具有4个组合了独特控制设计的集成主电源FET。由于解决了现有解决方案的效率降低问题，当电池电压与输出电压相同或相近时(Vbat=Vrail)，优化后的效率高可达96%。这意味着什么？首先，与现有解决方案相比，其效率提高了2%~6%；其次，更为重要的是这种效率优势能够体现在整个电池电压范围内。

　　这样就实现了电池容量的大化利用，从而显著延长电池使用寿命，并终带来超长的系统/应用工作时间及待机时间。

　　第二个要讨论的重要问题是使体积小化，该款集成转换器采用FN封装，与2.2uH电感器的大小相同。为减少无源组件数，可预设输出电压(如3.3V)来使总体组件数减少到4个：IC+电感器+2个电容器。

　　本文小结

　　便携式应用的电源管理正向效率更高、体积更小、更加灵活的方向发展。随着接口功能的推陈出新，新的控制方案、电源轨的快速控制、数字处理器及其模拟电源管理组件之间的通信都将实现全面的提升。

　　功率预算的实时调整、处理器省电方案的调整以及负载条件下电压轨的优化等都将使电池更加智能化。这对于提高应用的使用时间以及延长电池使用寿命等都极有帮助，并在用户使用系统所有功能的前提下显著延长待机时间、通话时间或播放时间