如何使用USB-6501监测12V传感器信号

硬件: Digital I/O (DIO)>>Static>>USB-6501

问题:

在这个应用中，需要用6501的计数器进行边沿计数，信号源来自于一个接近开关。其输出高电平为12V，低电平为0.7V。6501是TTL电平标准的，如何测量工业电平信号，如何分析输入输出阻抗并进行合理匹配。

这篇文档中针对的是USB-6501进行分析，但是以上的分析方法对于我们使用其它数字模块并进行分析同样是适用的，在一定程度上具有较好的参考意义。

解答:

这里使用的是Sick公司的电感式接近开关，型号IM05-0B8NS-ZW1。接近开关一共有三个接线端，分别是bn (Brown), bk (Black), bu (Blue)。在bn和bu之间外接12V的电源，bk做为传感器的输出端。在bn和bk之间可以接负载如继电器，也可以不接。这款型号接近开关属于NPN型，默认状态下bk输出高电平，大概11V，当接近开关探测到金属时，bk输出低电平，大概在0.7V。

图1. Sick接近开关

分析了接近开关的特性后，其与USB-6501的接线方式如图2所示：

图2. 接近开关和6501连接示意图

可以看到，接近开关的输出端（bk）直接接到USB-6501的计数器输入端。为什么可以直接连接呢？我们一起来分析一下它们的工作过程：

1）当接近开关没有探测到金属时，晶体管Q1关闭，bk输出11V高电平，这个11V的高电平是通过R1弱上拉到12V电源。而USB-6501默认配置为集电极开路，工作电压为5V，内部上拉电阻为4.7 kΩ。看一下回路1，根据分压原理，P2.7的电压就基本维持在5V：

图3. 接近开关默认状态

2）当接近开关探测到金属，Q1导通，分析回路2：bk输出0.7V，这样P2.7探测到低电平。

图4. 接近开关导通

我们也可以在bk和P2.7之间串联一个肖特基二极管（正向压降0.4V），二极管的作用就是将P2.7探测到的电平从0.7降到0.3V，提高6501的噪声容限。实际连接示意图：

图5. 系统连接实物图

这里可能大家会想，既然bk输出11V，在bk和bu之间接分压电阻，然后在分压电阻中间接P2.7不就可以了吗？如图6所示。

图6. 电阻分压方式

当Q1关闭时，要使P2.7探测到高电平，因为R1的阻值已经很大，R3和R4阻值必须足够大才行，令R3 = R4 = R1 =200 kΩ，根据分压原理Vd = 4V，即高电平。当Q1导通时，Vd为低电平0.35V。看起来不错，电平范围正常了，但是当Vd接到6501的P2.7，问题出来了。对于6501而言，其输入阻抗就是4.7 kΩ，而信号源Vd的输出阻抗即R4为200 kΩ，无论Q1导通与否，Vd的电平始终为5V。因此6501无法接受输出阻抗过大的信号，而且对于一个信号本身而言，其输出阻抗本身过大也是很有问题的。

相关链接:

1. USB-6501用户指南和产品规范：http://digital.ni.com/manuals.nsf/websearch/6DAF9A8A0D0662468625751500338DF1

2. SICK DIV01光电开关和接近开关：http://www.sickcn.com/service/documentation/div01-光电开关和接近开关/

3. 关于数字IO中的Sinking和Sourcing：http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/6F124D4058100A6186257940004A5D57?OpenDocument