軟件可配置硬件如何幫助提高工業(yè)I/O模塊的靈活性

無論是用于過程控制安裝還是工業(yè)自動化系統(tǒng)，I/O 模塊或現(xiàn)場接線盒在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中都面臨著各種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

產(chǎn)品管理面臨關(guān)于每種產(chǎn)品需要多少渠道和哪些組合的決策。電子設(shè)計(jì)師必須決定如何為項(xiàng)目中的各種模擬或數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)最佳性能和成本效益的系統(tǒng)。安裝技術(shù)人員可能會被所有不同的產(chǎn)品和眾多的布線方案所淹沒。使用軟件可配置輸入/輸出 （SWIO） IC 可以緩解許多這些困難，使系統(tǒng)能夠隨時(shí)支持任何引腳上的任何功能和任何組合。

對于過程控制或工廠自動化中的工業(yè)可編程邏輯控制器 （PLC） 或分布式控制系統(tǒng) （DCS），最終客戶和應(yīng)用程序有不同的要求。對于產(chǎn)品經(jīng)理來說，定義正確的產(chǎn)品、策略和優(yōu)化是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。1 一個(gè)最終客戶可能需要更多的模擬輸出通道，例如 4 mA 到 20 mA，而另一個(gè)則要求更多的數(shù)字輸入?；蛘咄粋€(gè)客戶可以為一個(gè)平臺要求更多的模擬頻道，而另一個(gè)平臺需要更多的數(shù)字頻道。這種困境的例子如圖 1 所示。隨著工業(yè) 4.0 的興起，制造商需要能夠快速輕松地適應(yīng)不斷變化的需求的靈活系統(tǒng)，所有這些都是由消費(fèi)者行為和需求的變化所驅(qū)動的。結(jié)果，他們不能再依賴固定，為大眾市場產(chǎn)品和可預(yù)測需求而設(shè)計(jì)的大型系統(tǒng)。相反，需要能夠以最少的停機(jī)時(shí)間和資本投資快速重新配置的靈活系統(tǒng)。

圖 1. 通道數(shù)和配置可能性。

SWIO 組件使它們的通道能夠被編程，不僅可以作為輸入或輸出，還可以作為模擬或數(shù)字。此外，它們可以有效地設(shè)置為讀取 2 線或 3 線 RTD 或熱電偶。

軟件可配置 I/O 還充當(dāng)基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)的橋梁，因?yàn)樗梢赃M(jìn)一步應(yīng)用于需要更新 10BASE-T1L 工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的棕地安裝。它支持開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、可配置的現(xiàn)場 I/O 單元，能夠在現(xiàn)有的支持 HART? 的 4 mA 至 20 mA 傳感器和執(zhí)行器與 10BASE-T1L 或 100 米光纖回程之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖 2 顯示了如何為工業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)軟件可配置 I/O。這種架構(gòu)還可用于過程控制、工廠自動化或樓宇控制應(yīng)用。本示例中使用的可配置器件是AD74413R，它是一款四通道 SWIO 器件，具有一個(gè) 16 位 Σ-Δ （∑-Δ） ADC 和四個(gè) 13 位 DAC，采用 9 mm × 9 mm 封裝，支持 –40°C 至 +105°C 工作溫度范圍的 64 引腳 LFCSP。

圖 2. SW 可配置 I/O 組件和典型應(yīng)用示例。

每個(gè)軟件可配置 I/O 都通過配置寄存器在 SPI 總線上進(jìn)行控制，其時(shí)鐘可高達(dá) 24 MHz。用戶可以通過寄存器映射細(xì)化每種操作模式的默認(rèn)配置。每個(gè) ADC 可以通過單個(gè)轉(zhuǎn)換請求測量四個(gè)通道中的一個(gè)或多個(gè)通道上的電流或電壓以及多達(dá)四個(gè)診斷輸入。在本例中，轉(zhuǎn)換速率高達(dá) 4.8 kSPS，并提供可選的 50 Hz 和 60 Hz 抑制濾波器。

每個(gè)通道的 13 位 R 串 DAC 本質(zhì)上是單調(diào)和線性的。這些 DAC 支持高達(dá) 25 mA 的電流輸出，并具有用于故障診斷的開路檢測能力。同樣，它們可以提供真正的 0 V 至 11 V 范圍的電壓輸出。對于成本敏感型應(yīng)用，高精度內(nèi)部基準(zhǔn)可以驅(qū)動 DAC 和 ADC，而在需要最高性能時(shí)可以使用外部基準(zhǔn)。

可能的功能和操作模式

每個(gè)通道的功能概覽見表1。該組件可以支持電壓輸出、電流輸出、電壓輸入、電流輸入（外部供電）、電流輸入（環(huán)路供電）、外部RTD測量、數(shù)字輸入邏輯和環(huán)路供電數(shù)字輸入。上電或器件復(fù)位后，默認(rèn)功能還包括高阻抗模式。

表 1. 可能的功能選擇

電壓輸出放大器可產(chǎn)生高達(dá) 11 V 的單極電壓。內(nèi)部低壓電荷泵允許放大器產(chǎn)生真正的零輸出電壓。在此模式下，外部檢測電阻器提供電流反饋（強(qiáng)制電壓測量電流 FVMI 方法），而 SENSEL_x 引腳上的負(fù)反饋調(diào)節(jié)正確的電壓電平。

在電流輸出模式下，DAC 提供電流輸出（通常為 0 mA 至 25 mA），通過感測傳感器電阻（SENSEL_x 和 SENSEH_x 引腳）上的差分電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。在存在低阻性負(fù)載的情況下，為了降低芯片上的功耗，可以連接一個(gè)外部 PMOS 以傳遞 0 mA 至 25 mA 的輸出電流。

電流輸入模式可以支持外部供電和環(huán)路供電配置。16 位 Σ-Δ ADC 自動測量通過檢測電阻器的電流?？蛇^濾檢測引腳（SENSEHF_x 和 SENSELF_x）用于此目的。此外，兩種類型的電流輸入功能都具有額外的 HART 兼容模式，可確保最小 230 Ω 接收阻抗。 2

電壓輸入模式通過濾波端口 （SENSELF_x） 和接地檢測之一使用 ADC 測量電壓?？梢葬槍Ω与妷哼x擇額外的下拉選項(xiàng)。在電壓輸入模式下，由于 ADC 中的專用范圍設(shè)置，還可以讀取熱電偶讀數(shù)。

電阻測量模式使用源自 2.5 V 偏置的電壓對外部 2 線 RTD 進(jìn)行偏置。通過上拉電阻偏置電壓，將確保準(zhǔn)確的比率測量。低激勵(lì)電流最大限度地降低了功耗，減少了 RTD 的自熱。

數(shù)字輸入模式支持 IEC 61131-2 Type I、Type II 和 Type III 設(shè)備。閾值可通過專用寄存器進(jìn)行編程。每個(gè)通道都有一個(gè)專用的通用輸出 （GPO） 和用戶可編程的去抖濾波。

穩(wěn)健性和診斷

由于工業(yè)環(huán)境的性質(zhì)，軟件可配置 I/O 的設(shè)計(jì)必須能夠在嘈雜的環(huán)境中保持穩(wěn)健，并能夠承受過壓情況，例如接線錯(cuò)誤和浪涌事件。當(dāng)連接到比 AVDD 引腳更高的電位時(shí)，片上線路保護(hù)器可防止螺釘端子將電源傾倒到 IC 中。額外的 TVS 二極管可用于承受輸入/輸出端子上的高浪涌。為了進(jìn)一步提高穩(wěn)健性，循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 內(nèi)置于 SPI 接口中。

圖 3. 帶有電源管理單元 （ADP1032） 的軟件可配置 I/O 器件 （AD7441xR） 的典型應(yīng)用電路。

診斷功能可確?？膳渲玫?I/O 功能正確運(yùn)行，并針對最常見的故障情況提供警告。片上診斷監(jiān)控電源電壓、基準(zhǔn)、芯片溫度（作為警報(bào)或關(guān)閉）和螺絲端子。當(dāng)端子處連接的故障電壓高于 AVDD 或低于 0 V 時(shí)，最后一個(gè)因素的診斷有助于檢測接線錯(cuò)誤。外部檢測電阻器進(jìn)一步有助于診斷以及正常操作。例如，它為電壓模式提供短路檢測或幫助調(diào)節(jié)電流輸出模式。用戶還可以選擇編寫自己的診斷程序來測試連接的傳感器/執(zhí)行器，

如果發(fā)生警報(bào)條件，則 ALERT 引腳置位。ALERT_STATUS 寄存器確定故障的來源。

配套實(shí)現(xiàn)

一種常見的應(yīng)用要求是 I/O 模塊或 PLC 具有微處理器隔離功能，或者它們具有來自總線側(cè)的電子控制單元。數(shù)據(jù)和電源都應(yīng)該是電隔離的。出于這兩個(gè)目的，一個(gè)專用的電源和數(shù)據(jù)隔離器可以達(dá)到這個(gè)目的。例如，ADP1032是一款高性能隔離式電源管理單元 （PMU），包含一個(gè)帶降壓穩(wěn)壓器的隔離式反激式和數(shù)據(jù)隔離通道（見圖 2）。

兩個(gè)穩(wěn)壓器相移以實(shí)現(xiàn)極低的電磁干擾 （EMI）。電流模式反激式控制器可提供 6 V 至 28 V 電壓。它具有欠壓鎖定 （UVLO）、過流/過壓保護(hù)、使能控制、軟啟動和壓擺率控制。此外，它還有七個(gè)低功耗數(shù)字隔離通道——四個(gè)用于 SPI，三個(gè)用于通用通信。

I/O 模塊的另一個(gè)典型需求是驅(qū)動繼電器或燈。例如，AD74413R 具有 GPO，也可以將其編程為特殊數(shù)字輸出 （DO）。通過外部 PMOS 和限流控制器（如ADM1270），該引腳可以調(diào)節(jié)數(shù)百毫安電流，用于驅(qū)動繼電器或燈。這為此類電感或電阻負(fù)載提供了浪涌電流限制和過流保護(hù)。AD74413R 評估板上有一個(gè)典型應(yīng)用示例。

當(dāng)需要 HART 調(diào)制時(shí)，AD5700可為基于 AD74413R 的系統(tǒng)提供調(diào)制解調(diào)器功能。

由于本文的范圍涵蓋工業(yè)應(yīng)用，因此我們主要討論了 AD74413R。還有一個(gè)更輕的版本，稱為AD74412R，適用于構(gòu)建控制應(yīng)用。它具有 –40°C 至 +85°C 的更低工作溫度范圍、更寬松的電流輸入和輸出精度以及高達(dá) 26.4 V 的電源電壓。

借助軟件可配置 I/O，制造商可以開發(fā)一個(gè)平臺來替換多個(gè)老化的固定功能 I/O 模塊。此外，他們可以在多個(gè)終端應(yīng)用程序中使用這項(xiàng)技術(shù)，其中 I/O 會隨著每次安裝而動態(tài)變化。對于傳統(tǒng)上依賴于具有多個(gè) I/O 模塊和為每種通道類型指定布線的控制柜的系統(tǒng)，由于最終用戶現(xiàn)在可以從控制室安裝一個(gè)可編程的模塊，因此不再需要硬件，從而有助于減少產(chǎn)品管理、物流、制造和支持費(fèi)用。SWIO 技術(shù)還可以作為基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)的橋梁，因?yàn)樗梢詰?yīng)用于現(xiàn)有的安裝。

審核編輯：郭婷