摘 要：介绍基于CPCI总线的抗恶劣环境计算机系统中光隔离调理模块的设计及实现，通过对输入模拟量进行差分接收、信号转换、隔离放大、有源滤波，最终输出为满足设备需求的电压信号。该设计在实际应用过程中得到了可靠性、稳定性等方面的验证。
关键词：隔离放大；有源滤波；CPCI；抗恶劣环境计算机
一、引言
抗恶劣环境计算机控制系统中，为保证控制系统能可靠、精确识别传感器传输出的信号，做出准确的控制动作，就需要对输入到计算机系统的信号进行实时接收、放大处理，并且在信号处理过程中，通过对每路信号的低通滤波，去除高频干扰信号。从而保证控制系统设备能对接收到的数据进行分析、处理后，做出正确判断，顺利完成控制动作。
为此，实现对输入计算机控制系统的信号进行接收、放大处理，并保证信号的正确性及精度即是模块的主要工作。
二、设计原理
为了实现对传感器输出的信号进行接收、放大处理，给控制设备输入可靠、准确的数据实施控制动作。模块选用Burr Brown公司的差分接收器INA2134直接进行差分输入信号的接收，通过隔离放大器（Isolation Amplifier）ISO122对转换后的电压信号进行隔离放大，通过运算放大器（Operational Amplifier）OPA2134对信号进行有源滤波后输出。模块工作流程分解为如下步骤，如图1所示：
图1 模块工作原理框图
三、实现方法
3.1 器件选型
3.1.1 差分接收器
Burr Brown公司的差分接收器INA2134使用非常方便，只需接入±4V~±18V的隔离电源即可正常工作，它的低失真率（0.0005% at f=1KHz）、高的CMRR（90dB）、1：1的增益、低的衰减特性（THD +Noise<0.002%）确保电路的设计满足要求。
INA2134接收器输入要求为0～±5V电压，信号直接加在INA2134的接收端即可；若输入为电流源信号（4～20mA），则需要通过精密电阻将电流信号转换为电压信号后加在INA2134的接收端。这样通过差分接收器INA2134的信号均为单端的电压信号。
3.1.2 隔离放大器
隔离放大器ISO122只需在器件的输入和输出部分分别接入±4.5V~±18V的隔离电源即可正常工作，它的体积小重量轻，非线性误差小（≤±0.02%），增益误差小于±0.5%，可以在具有多路输入信号时，确保每一路信号均能进行隔离以满足使用要求。
隔离放大器ISO122能通过对输入信号进行放大，并最终输出满足控制系统要求的电压信号。
3.1.3 通过运算放大器
模块中设计了二阶低通滤波器对输入信号进行滤波，用运算放大器OPA2134来实现二阶低通滤波。OPA2134低的失真率（0.00008％）、低噪声（8nv/√Hz）、高的开环增益（120dB）、宽的电源输入范围（±2.5V~±18V）；有源滤波电路的增益为Kp=1，截止频率为50Hz，可以满足设计要求。
3.2 功能实现
该设计中的光隔调理模块模块整体原理框图如图2所示，具备以下功能：
* 输入12 路4 ~ 20mA模拟电流转换为1 ~ 5V的模拟电压输出，其中电流源信号的最大负载为500Ω；
* 将4路0～±5V的模拟电压转换为0～10V的模拟电压输出；
* 输入信号进行了有源滤波，其截止频率为50Hz；
* 隔离前的输入信号分为3组，每组之间相互隔离；其中12路电流源信号分为2组，每组6路，4路电压信号为1组；且隔离后的输出信号共地。
3.2.1 信号输入电路
光隔调理模块每路输入信号进行差分接收，模块中选用BB公司的差分接收器INA2134直接进行差分输入信号的接收。差分接收器INA2134使用方便，只需接入±4V~±18V的隔离电源即可正常工作，它具有低失真率（0.0005% at f=1KHz）、高的CMRR（90dB）、1：1的增益、低的衰减特性（THD +Noise<0.002%）的特性；此外INA2134为双路的包装，每路完全独立，这样既确保了通道的邻道干扰非常小又减少了电源的功耗和板子的空间。
0～±5V电压信号直接加在INA2134的接收端，4～20mA的电流源信号通过精密电阻将电流信号转换为电压信号后加在INA2134的接收端。通过差分接收器后每路都为单端的电压信号，易于处理。
光隔调理模块使用八片INA2134芯片，分为三组以实现对外部输入信号的接收；其中第1~3片为一组，第4~6片为一组，外部输入电流信号通过电路转换为模拟电压输入芯片，转换为1 ~ 5V的模拟电压输出；第7~8片为一组，直接输入0～±5V的模拟电压，转换后以0～10V的模拟电压输出。
3.2.2 隔离放大电路
光隔调理模块中使用隔离放大器ISO122对输入信号进行隔离后输出。ISO122的使用非常方便，只需在器件的输入和输出部分分别接入±4.5V~±18V的隔离电源即可正常工作。它的体积小重量轻，非线性误差小（≤±0.02%），增益误差小于±0.5%。
与信号输入电路对应，模块使用八片ISO122芯片，其中第1~3片为一组，第4~6片为一组，第7~8片为一组以实现对信号输入电路输出电压值进行隔离放大功能。
3.2.3 有源滤波电路
光隔调理模块中设计了二阶低通滤波器对输入信号进行滤波，用OPA2134来实现二阶低通滤波。OPA2134低的失真率（0.00008％）、低噪声（8nv/√Hz）、高的开环增益（120dB）、宽的电源输入范围（±2.5V~±18V）确保设计要求。此外OPA2134为双路的包装，每路完全独立，这样既确保了通道的邻道干扰非常小又减少了电源的功耗和板子的空间。有源滤波电路的增益为Kp=1，截止频率为50Hz。
3.2.4 电源电路
光隔调理模块共使用四种隔离电源，其中U1和U3供电流使用，U4供电压使用，还有一组U2用作隔离后的输出电源。隔离后的输出信号共地。
3.2.5 结构特征
光隔调理模块的外形尺寸为：宽：233.35mm、高：160mm，厚：17.4 mm，采用Compact PCI标准，适用于尺寸6U的机箱，模块自身带有楔形块锁紧装置和起拔器，方便固定和插拔；模拟信号通过CPCI接插件的J4／P4、J5／P5输入，经过处理之后通过其顶部的插头X1输出。
3.3 环境条件及可靠性
光隔调理模块的热设计保证信号组件的结点温度低于125℃，在最坏工作条件下楔形块的温度不应超过85℃。模块采用热传导方式散热，热量从组件导热绝缘薄膜传递到冷板，再从冷板传递到楔形块，然后楔形块传递到机箱板。
四、结语
光隔调理模块的环境指标符合相关军用标准，在实际使用中已多次验证，可以在振动、冲击、低温、高温、湿热和强电磁干扰等恶劣环境下可靠的工作。
