軟件可配置硬件如何幫助提高工業(yè)I/O模塊的靈活性

產(chǎn)品管理面臨關于每種產(chǎn)品需要多少渠道和哪些組合的決策。電子設計師必須決定如何為項目中的各種模擬或數(shù)字信號實現(xiàn)最佳性能和成本效益的系統(tǒng)。安裝技術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)化是一項艱巨的任務。1 一個最終客戶可能需要更多的模擬輸出通道，例如 4 mA 到 20 mA，而另一個則要求更多的數(shù)字輸入?；蛘咄粋€客戶可以為一個平臺要求更多的模擬頻道，而另一個平臺需要更多的數(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不斷變化的需求的靈活系統(tǒng)，所有這些都是由消費者行為和需求的變化驅動的。結果，他們不能再依賴固定，為大眾市場產(chǎn)品和可預測需求而設計的大型系統(tǒng)。相反，需要能夠以最少的停機時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，它們可以有效地設置為讀取 2 線或 3 線 RTD 或熱電偶。

軟件可配置 I/O 還充當基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡的橋梁，因為它可以進一步應用于需要更新 10BASE-T1L 工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的棕地安裝。它支持開發(fā)標準化、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 米光纖回程之間進行轉換。

圖 2 顯示了如何為工業(yè)應用實現(xiàn)軟件可配置 I/O。這種架構還可用于過程控制、工廠自動化或樓宇控制應用。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 16 位 Σ-Δ （∑-Δ） ADC 和四個 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 組件和典型應用示例。

每個軟件可配置 I/O 都通過配置寄存器在 SPI 總線上進行控制，其時鐘可高達 24 MHz。用戶可以通過寄存器映射細化每種操作模式的默認配置。每個 ADC 可以通過單個轉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四個診斷輸入。在本例中，轉換速率高達 4.8 kSPS，并提供可選的 50 Hz 和 60 Hz 抑制濾波器。

每個通道的 13 位 R 串 DAC 本質上是單調(diào)和線性的。這些 DAC 支持高達 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。對于成本敏感型應用，高精度內(nèi)部基準可以驅動 DAC 和 ADC，而在需要最高性能時可以使用外部基準。

可能的功能和操作模式

每個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。上電或器件復位后，默認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 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（強制電壓測量電流 FVMI 方法），而 SENSEL_x 引腳上的負反饋調(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器（SENSEL_x 和 SENSEH_x 引腳）上的差分電壓進行調(diào)節(jié)。在存在低阻性負載的情況下，為了降低芯片上的功耗，可以連接一個外部 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。在電壓輸入模式下，由于 ADC 中的專用范圍設置，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 進行偏置。通過上拉電阻偏置電壓，將確保準確的比率測量。低激勵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 設備。閾值可通過專用寄存器進行編程。每個通道都有一個專用的通用輸出 （GPO） 和用戶可編程的去抖濾波。

穩(wěn)健性和診斷

由于工業(yè)環(huán)境的性質，軟件可配置 I/O 的設計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，例如接線錯誤和浪涌事件。當連接到比 AVDD 引腳更高的電位時，片上線路保護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。為了進一步提高穩(wěn)健性，循環(huán)冗余校驗 （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） 的典型應用電路。

診斷功能可確?？膳渲玫?I/O 功能正確運行，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、芯片溫度（作為警報或關閉）和螺絲端子。當端子處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)生警報條件，則 ALERT 引腳置位。ALERT_STATUS 寄存器確定故障的來源。

配套實現(xiàn)

一種常見的應用要求是 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的電子控制單元。數(shù)據(jù)和電源都應該是電隔離的。出于這兩個目的，一個專用的電源和數(shù)據(jù)隔離器可以達到這個目的。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 的電壓。它具有欠壓鎖定 （UVLO）、過流/過壓保護、啟用控制、軟啟動和壓擺率控制。此外，它還有七個低功耗數(shù)字隔離通道——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，用于驅動繼電器或燈。這為此類電感或電阻負載提供了浪涌電流限制和過流保護。AD74413R 評估板上有一個典型應用示例。

當需要 HART 調(diào)制時，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)應用，因此我們主要討論了 AD74413R。還有一個更輕的版本，稱為AD74412R，適用于構建控制應用。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 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)一個平臺來替換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用程序中使用這項技術，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 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、制造和支持費用。SWIO 技術還可以作為基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡的橋梁，因為它可以應用于現(xiàn)有的安裝。

審核編輯：郭婷