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)品管理面臨著每個產(chǎn)品需要多少渠道和哪些組合的決策。電子設(shè)計人員必須決定如何為項目中的各種模擬或數(shù)字信號實現(xiàn)最佳性能和經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)。安裝技術(shù)人員可能會被所有不同的產(chǎn)品和眾多的接線方案所淹沒。使用軟件可配置輸入/輸出（SWIO）IC可以緩解其中的許多困難，使系統(tǒng)能夠隨時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)用有不同的要求。對于產(chǎn)品經(jīng)理來說，定義正確的產(chǎn)品、戰(zhàn)略和優(yōu)化是一項艱巨的任務(wù)。1 一個終端客戶可能需要更多的模擬輸出通道，例如 4 mA 至 20 mA，而另一個客戶則需要更多的數(shù)字輸入。或者，同一客戶可以為一個平臺要求更多的模擬通道，而另一個平臺需要更多的數(shù)字通道。這種困境的示例如圖 1 所示。隨著工業(yè)4.0的興起，制造商需要靈活的系統(tǒng)，能夠快速輕松地適應(yīng)不斷變化的需求，所有這些都是由消費(fèi)者行為和需求的變化驅(qū)動的。因此，他們不能再依賴為大眾市場產(chǎn)品和可預(yù)測需求而設(shè)計的固定、大規(guī)模系統(tǒng)。相反，需要靈活的系統(tǒng)，可以在最短的停機(jī)時間和資本投資下快速重新配置。

圖1.通道號和配置可能性。

SWIO元件使其通道不僅可以編程為輸入或輸出，還可以編程為模擬或數(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還可以作為以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的橋梁，因為它可以進(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，這些單元能夠在現(xiàn)有的HART?支持的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)用實現(xiàn)軟件可配置的 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。本例中使用的可配置器件是AD74413R，這是一款四通道SWIO器件，內(nèi)置16位Σ-∑Δ型ADC和4個13位DAC，采用9 mm × 9 mm、64引腳LFCSP封裝，支持–40°C至+105°C工作溫度范圍。

圖2.軟件可配置I/O組件和典型應(yīng)用示例。

每個軟件可配置I/O通過SPI總線上的配置寄存器進(jìn)行控制，SPI總線的時鐘可達(dá)24 MHz。 用戶可以通過寄存器映射優(yōu)化每種操作模式的默認(rèn)配置。每個ADC可以通過單個轉(zhuǎn)換請求測量四個通道中的一個或多個通道上的電流或電壓，以及多達(dá)四個診斷輸入。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。

每通道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功能。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，而當(dāng)需要最高性能時，可以使用外部基準(zhǔn)。

可能的功能和操作模式

每個通道的功能概述如表1所示。該組件可支持電壓輸出、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)位后的默認(rèn)功能還有高阻抗模式。

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的單極性電壓。內(nèi)部低壓電荷泵允許放大器產(chǎn)生一個真正的零輸出電壓。在這種模式下，一個外部檢測電阻提供電流反饋（力電壓測量電流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），通過檢測傳感器電阻（SENSEL_x和SENSEH_x引腳）上的差分電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了在存在低阻性負(fù)載的情況下降低芯片上的功耗，可以連接外部PMOS以傳遞0 mA至25 mA輸出電流。

電流輸入模式可支持外部供電和環(huán)路供電配置。16位Σ-Δ型ADC自動測量流經(jīng)檢測電阻的電流?？蔀V波檢測引腳（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，確保接收阻抗最小為230 Ω 2。

電壓輸入模式通過其中一個濾波端口（SENSELF_x）和接地檢測測量ADC的電壓。可以選擇針對浮動電壓的附加下拉選項。在電壓輸入模式下，由于ADC中的專用范圍設(shè)置，也可以讀取熱電偶讀數(shù)。

電阻測量模式偏置外部2線RTD，電壓源自2.5 V偏置。使用上拉電阻偏置電壓，將確保精確的比率測量。低激勵電流使功耗降至最低，降低了RTD的自發(fā)熱。

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

穩(wěn)健性和診斷性

由于工業(yè)環(huán)境的性質(zhì)，軟件可配置I/O必須設(shè)計為在嘈雜環(huán)境中具有魯棒性，并能夠承受過壓情況，如接線錯誤和浪涌事件。片上線路保護(hù)器可防止螺絲端子在連接到比AVDD引腳更高的電位時將功率釋放到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)一步提高魯棒性，SPI接口內(nèi)置了循環(huán)冗余校驗（CRC）。

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 功能正常運(yùn)行，并針對最常見的故障情況提供警告。片上診斷功能可監(jiān)控電源電壓、基準(zhǔn)電壓源、芯片溫度（如報警或關(guān)斷）和螺絲端子。當(dāng)端子上連接的故障電壓高于AVDD或低于0 V時，最后一個因素的診斷有助于檢測接線錯誤。外部檢測電阻器進(jìn)一步有助于診斷和正常工作。例如，它為電壓模式提供短路檢測，或者幫助調(diào)節(jié)電流輸出模式。用戶還可以選擇對自己的診斷程序進(jìn)行編程，以測試連接的傳感器/執(zhí)行器，因為系統(tǒng)可以強(qiáng)制電壓或電流，并從現(xiàn)場設(shè)備讀取電流或電壓響應(yīng)。

如果發(fā)生警報情況，則 ALERT 引腳將置位。ALERT_STATUS寄存器確定故障源。

配套實現(xiàn)

一個常見的應(yīng)用要求是I/O模塊或PLC具有微處理器隔離功能，或者它們在總線側(cè)具有電子控制單元。數(shù)據(jù)和電源都應(yīng)電隔離。出于這兩種目的，專用電源和數(shù)據(jù)隔離器都可以用于此目的。例如，ADP1032是一款高性能隔離電源管理單元（PMU），包括一個帶降壓穩(wěn)壓器和數(shù)據(jù)隔離通道的隔離式反激式（見圖2）。

兩個穩(wěn)壓器相移，以實現(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電源。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，它還具有七個低功耗數(shù)字隔離通道，其中四個用于SPI，三個用于通用通信。

I/O模塊的另一個典型需求是驅(qū)動繼電器或燈。例如，AD74413R具有GPO，也可以編程為特殊數(shù)字輸出（DO）。利用外部PMOS和限流控制器（如ADM1270），該引腳可以調(diào)節(jié)幾百毫安的電流，用于驅(qū)動繼電器或燈。這為此類感性或電阻性負(fù)載提供了浪涌電流限制和過流保護(hù)。典型的應(yīng)用示例可在AD74413R的評估板上找到。

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

由于本文涵蓋工業(yè)應(yīng)用，因此我們主要討論AD74413R。還有一款更輕的版本，稱為AD74412R，適用于樓宇控制應(yīng)用。它具有–40°C至+85°C的更低工作溫度范圍，電流輸入和輸出精度更寬松，電源電壓高達(dá)26.4 V。

借助軟件可配置的 I/O，制造商可以開發(fā)一個平臺來取代多個老化的固定功能 I/O 模塊。此外，他們可以在多個終端應(yīng)用中使用這項技術(shù)，在這些應(yīng)用中，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 I/O 模塊和每種通道類型指定接線的控制柜的系統(tǒng)，對硬件的需求消失了，因為最終用戶現(xiàn)在可以安裝可從控制室編程的單個模塊，從而有助于降低產(chǎn)品管理、物流、制造和支持成本。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，因為它可以應(yīng)用于已經(jīng)可用的安裝。

審核編輯：郭婷