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如何选择传感器的输出类型(数字或模拟)?
来源:赛斯维传感器网 发表于 2017/5/5


  许多传感器都有模拟输出和数字输出可选.如何在它们之间选择?


  传感器通信方式的选择其实主要考虑的是通信传输的要求,而不是传感器本身。


  模拟量的最大好处是直观,信号没有经过取样编码和调制,可以直接用万用表测量。反观总线,所有行为都由电子元件根据复杂的协议来控制,信号经过编码和调制隐藏在一个个数据帧内,没有专业人员专业工具也是无法解析的。在现场遇到一路不正常工作的模拟信号可以很淡定得拿着万用表一点点去排查。可是遇到总线问题往往会很头疼。


  另一个优点是,对设计和安装的质量有一定弹性。也就是说设计选型上的一些不合理,安装上的小错误往往不会导致模拟信号完全失效,而是相应得降低信号的质量和可靠性。例如,线缆不符合规范,接插件不符合标准,屏蔽没有做好,参考电位错误都不会完全没信号,只是信号会出现相应衰减,噪声,偏置或不稳定。根据症状去排查问题大多都能找到症结。即使是反接,短路,断线也都会有明显的症状可以排查。而总线作为数字通信,尤其是在工业现场这样的实时系统里,基本上是没有中间状态的,要么完全正常,要么完全不工作。而线缆,插头,屏蔽,距离,拓扑,程序配置,传感器电路,任何一个环节出现问题都有可能造成同一个结果,通信完全建立不起来。。。这就比较尴尬了。能做的只有,把所有环节都挨个过一遍甚至一一重做,重新编译程序,换线换插头,重启,希望能突然正常。第三个优点,学习成本低。懂得最基本的直流电路就可以理解,初中物理就足够了。总线这边,想要做到精通,可以处理各种问题,可以进行个性化的设计,至少网络七层模型是要懂的,还要有一定软件工程的能力。此外模拟信号从传感器到线路到信号采集的成本都比总线系统低很多。


  以上这几点使得模拟信号非常适合低成本小型系统,以及样机原型机这样这样不确定性比较大的系统。否则,面对一个总线不通的原型系统,可以出问题的地方太多了,非常头疼。然后再来看看总线的优点,这样广泛应用的东西不可能都是缺点。


  第一,抗干扰。总有人认为总线通信反而没有模拟信号抗干扰这实际上是个很大的误区。从基本原理上,首先数字信号只有两个状态,并且大多数总线的物理层协议都要求两个状态的触发阈值电平离得比较远。例如1是0.5~1V, 而0是4.5~5V,这样随机噪声就有了很大的缓冲区间。即使是真的发生了真假颠倒的错误,链路层以上各层的校验机制也会发现错误丢弃有问题的数据,出发协议中相应的机制重传或延迟刷新。可以说总线系统是不会在通信环节引入噪声干扰的。而模拟量通道是没有办法区分当前信号是不是正确可信的,正是这一点造成了模拟信号抗干扰的错觉,因为即使是被干扰的信号也被接受了。同时总线在物理层会严格要求接插件,线缆,终端电阻和屏蔽,这些要求实际上是强制规范了抗电磁干扰的性能。而模拟电路人为因素太大了,而且对设计工作会造成很大负担,要考虑的东西很多,即使每一点都做到完美,也总是会在通信环节引入噪声,这是热力学定律的铁律,模拟信号通信部分的实质就是电能在导体上的被动传输,熵总是增加的。因此在运动控制领域,力,位移,速度这些信号精度要求很高,这些系统往往又存在伺服驱动器,伺服电机这些电磁干扰源,能选总线是一定要尽量选择总线的。


  第二,可靠性高。上面也说了,总线系统的物理层协议对从设计到安装的各个环节提出了标准化要求。在之前我把这个作为了和模拟信号比较的缺点,实际上从另一个角度看,这些规定都是有原因的。有些是为了抗干扰,有些是为了可靠性和耐久性,有些是为了元件质量或安装工艺的标准化。这些都是无数工程应用经过多年的经验结晶,来帮助我们规避可能的隐患和错误。


  第三,串行通信,可中继交换大大减少了电气系统中的线束,并扩展了范围。模拟信号一百个传感器就要有一百根线缆,像蜘蛛网一样从四面八方汇集到IO所在的电柜,而对总线系统来说合理的拓扑设计会使布线非常简单,不管多少传感器,总是就近汇集到一根或两根(环状拓扑)线缆上。不管多复杂的系统都是一样简洁。这对布线和电柜设计非常有利。同时,通过符合要求的中继设备,传感器可以距离IO非常远。相对的模拟量信号线路允许的线路长度往往比较有效(也可以通过隔离器中继但是成本高且复杂)。以上这些特性决定了对IO繁杂,分布范围大,电磁环境恶劣,可靠性要求高,标准化程度高的系统而言,总线要远远好于模拟信号。

 

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