【应用】隔离式模拟数字转换器Si8901在工业传感器复合采集设备中的应用，板子整体隔离电压可达1kV

时间： 2019-10-10 来源：世强

技术问答

随着工业的发展，工业设备中需要采集的数据也越来越多，传感器向着复合传感器的方向快速发展，与传感器相匹配的采集设备的功能也更加集中，通常一个传感器采集板卡就需要完成多种不同类型的传感器的数据采集处理，对传感器采集板卡的隔离防护就成了整个设备系统的重中之重，而不同类型的传感器输出信号、通讯方式又是各有差异，因此就传感器采集板卡而言，如何在实现不同传感器信号采集，同时又兼顾采集板卡的隔离防护就成为采集板卡设计中的关键，本文介绍使用Silicon Lab的Si8901型隔离式模拟数字转换器在复合传感器采集板卡中的应用。

每个复合传感器采集板卡用于采集8路温度复合传感器信号，该复合传感器由PT1000+DS18B20构成（用于多路管道中流体温度测量），其中DS18B20用于测量设备-10℃~+85℃的范围内的温度，当温度低于-10℃或者超出+85℃时则使用PT1000对设备温度进行保护性测量（设备正常工作时温度不会低于-10℃或者超过+85℃），每一路复合传感器包含1路数字输出温度信号和1路模拟输出温度信号（DS18B20为单总线数字输出信号，PT1000为模拟输出信号），复合传感器采集板卡构成如下图1所示；

图1 复合传感器采集板卡构成框图

如上图1所示，每个采集板卡需要同时连接多路复合传感器，为避免复合传感器出现问题影响采集板卡主控MCU工作，需要在符合传感器与主控MCU之间采用隔离的方式来实现复合传感器与主控MCU之间的连接，这样即使其中的某几路传感器出现问题，也可以确保主控MCU正常工作，然后将对应的传感器状态通过对外通讯接口传输给控制中枢，确保能第一时间发现有问题的传感器；除此之外，采用隔离的方式还可以避免外部的干扰信号对主控MCU产生干扰，进一步提升系统的可靠性。

因复合传感器采用的DS18B20为数字输出信号，PT1000为模拟输出信号，因此需要采用不同的方式实现两种不同类型的信号隔离，对于DS18B20的单总线数字通讯信号隔离，可以采用双向数字隔离通讯芯片实现，考虑到传感器的通讯速率较低，这里采用4片ADI的ADUM1250型双向隔离芯片来实现传感器的通讯隔离，应用相对比较简单，本文不作深入讲解；对于PT1000传感器而言，多路传感器隔离应用电路就相对比较复杂，除去传感器前置信号调理电路之外（传感器供电、信号放大等电路），后续的信号采集和隔离电路也相对比较复杂（传感器变化输出表现为电压变化，需要使用模数转换完成传感器信号采集），设计方案也比较多，常规方案有“专用ADC芯片+专用通讯隔离芯片”、“专用ADC芯片+光耦隔离器件”，这两种方案都能实现对传感器信号采集和隔离，但是都相对比较复杂，使用的元器件也会比较多，元器件出问题事排查的难度要增加。考虑到上述的因素，本设计中采用“ADC芯片与通讯隔离一体”的单芯片方案，因此本设计中选用Silicon Lab的Si890x系列隔离式模拟数字转换器芯片来实现对多路PT1000传感器的信号采集及与主控MCU之间的通讯隔离。

Si890x系列芯片在单个封装内集成了 10 位 SAR ADC子系统（3个ADC输入通道）、监控状态机和隔离式 UART (Si8900)、I2C/SMBus端口 (Si8901) 或 SPI 端口 (Si8902)。采用SILICON LABS专属的CMOS隔离技术，提供2.5kV或5 kV两种隔离电压等级的器件。所有产品均获得 UL、CSA 和 VDE（正在申请）安全认证。Si8901B-GS设备拥有典型的45 kV/μs共模瞬变抗干扰性能，非常适用于噪声和高电压环境。本系列产品采用16针SOIC宽体封装。该系列芯片的构成框图如下图2所示。

图2 Si8901内部构成框图

考虑到采集板卡需要同时采集8路复合传感器的芯片，这里选用3片Si8901型芯片来实现对8路PT1000传感器的信号采集，而该芯片采用I2C通讯接口方式，因此3片芯片可以使用主控MCU的同一组I2C接口；就本设计中的PT1000的工作温度范围所对应的输出信号，Si8901提供的10位ADC转换所能达到的传感器采样分辨率已经可以满足温度测量精度要求，根据隔离电压等级要求，这里选用2.5kV的隔离电压等级芯片（具体型号Si8901B-GS）。

在设计中， PT1000传感器在采用仪表运放芯片对其信号进行调理之后再传递给Si8901芯片，这样可以使得输入Si8901的信号的噪声降低，同时也可以扩大PT1000传感器输入到Si8901芯片ADC部分的电压范围，更加有利于对传感器信号的检测；这里选用ADI的AD623型轨至轨工业仪表运放对传感器信号做初步的调理放大。

图3 传感器信号调理及隔离采样电路原理图

如上图3所示，本设计中采用金升阳的隔离电源模块实现DC-5V的电源隔离，而隔离前后的电路均采用3.3V供电，因此这里再使用AMS1117-3.3型LDO芯片完成电源降压，然后将PT1000传感器的检测信号与给定的参考信号同时接入仪表运放输入端，通过调节仪表运放的放大倍数电阻完成信号的放大调理，在仪表运放输出端加上R-C滤波电路之后将其接入Si8901芯片的模拟转换接口，完成传感器信号采集隔离前端的电路设计；而i8901后端则较为简单，直接使用I2C接口输出与主控MCU连接即可（加适当的上拉电阻）。至此完成PT1000传感器信号隔离采集的电路设计。

图4 隔离采集板卡实物图

完成后的实物如上图4所示（这里集成8路复合传感器采集端口），虽然Si8901提供的隔离电压等级可达2.5kV，18B20隔离所用的芯片的隔离电压等级也可以达到2.5kV，但是按照实际应用场合要求，这里采用的隔离电源模块的隔离电压为1kV，板卡整体隔离电压等级以照最低隔离器件为准，经过对隔离电源模块的测试，其隔离电压等级与标定参数符合，满足使用场景要求，板子整体的隔离电压可达1kV。

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用户55312177 Lv6. 高级专家 2019-12-04

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200225693 New A02 Firmware Revision Replaces Si8901B-A01-GS and Si8901D-A01-GS Revision Change Notice

型号- SI8901B-A02-GS,SI8901B-A01-GS,SI8901D-A01-GS,SI8901D-A02-GS

产品变更通知及停产信息 - SILICON LABS - 2/25/2020 PDF 英文下载

【选型】速度快、寿命长的隔离器件一网打尽，完美替代光耦合器

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2524272 Certificate of Compliance

型号- SI8901B-A01-GS,SI8902B-A01-GS,SI8900B-A01-GS

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【经验】简述10位主控制器Si890x的CMOS隔离技术原理和自动波特率算法

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设计经验发布时间 : 2018-12-17

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型号- SI8900B-A01-GSR,SI8900D-A01-GS,SI8901B-A01-GS,SI8901D-A01-GS,SI8902B-A01-GS,SI8902D-A01-GS,SI8900B-A01-GS,SI8902D-A01-GSR,SI8901D-A01-GSR,SI8900,SI8901B-A01-GSR,SI8900D-A01-GSR,SI890X,SI8901,SI8902B-A01-GSR,SI8902

应用笔记或设计指南 - SILICON LABS - Rev. 0.1 - 2011年10月01日 PDF 英文下载

20130128-E257455 Optical Isolators CERTIFICATE OF COMPLIANCE

型号- SI8900,SI8901,SI8902

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型号- SI8901B-A02-GS,SI8901B-A01-GS,SI8901D-A01-GS,SI8901B,SI8901D-A02-GS,SI8901D

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Silicon Labs（芯科科技） AN598 高速电平转换使用Si8XXX 隔离器应用笔记

型号- 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应用笔记或设计指南 - SILICON LABS - Rev 0.2 - 2016年06月03日 PDF 英文下载