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)濟高效的系統(tǒng)。安裝技術人員可能會被所有不同的產(chǎn)品和眾多的接線方案所淹沒。如果我們能夠設計一個具有最大靈活性的系統(tǒng)來應對這些困難，生活不是更容易嗎？ADI公司的全新軟件可配置輸入/輸出（SWIO）IC產(chǎn)品系列通過隨時支持任何引腳上的任何功能和任意組合來實現(xiàn)這一目標。

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?；蛘?，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不斷變化的需求，所有這些都是由消費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)品和可預測需求而設計的固定、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，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米光纖回程之間進行轉(zhuǎn)換。?

圖2所示為AD74413R，這是一款四通道SWIO器件，設計用于滿足過程控制、工廠自動化或樓宇控制應用（本文重點介紹工業(yè)應用）。該器件是用于工業(yè)輸入和輸出操作的完全集成的單片解決方案。AD74413R內(nèi)置一個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。四個通道中的每一個都通過SPI總線寫入配置寄存器進行配置，SPI總線的時鐘最高可達24 MHz。 用戶可以通過AD74413R寄存器圖優(yōu)化每種工作模式的默認配置。

圖2.軟件可配置I/O組件和典型應用示例。

AD74413R的16位Σ-Δ型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以及多達四個診斷輸入上的電流或電壓。轉(zhuǎn)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。

AD74413R具有高精度內(nèi)部基準電壓源，可在成本敏感型應用中驅(qū)動DAC和ADC，而當需要最高性能時，可以使用外部基準電壓源。

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。上電或器件復位后的默認功能還有高阻抗模式。

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）上的差分電壓進行調(diào)節(jié)。為了在存在低阻性負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)，AD74413R設計為在嘈雜環(huán)境中具有魯棒性，可以承受接線錯誤和浪涌事件等過壓情況。得益于片上線路保護器，當連接到比AVDD引腳更高的電位時，螺絲端子不會將功率釋放到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。此外，為了提高AD74413R的魯棒性，SPI接口內(nèi)置了循環(huán)冗余校驗（CRC）。

多種診斷功能可確保AD74413R正常工作，并針對最常見的故障情況提供警告。片上診斷功能可以監(jiān)控電源電壓、基準電壓源、芯片溫度（如警報或關斷）和螺絲端子。當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行編程，以測試連接的傳感器/執(zhí)行器，因為AD74113R可以強制電壓或電流，并從現(xiàn)場設備讀取電流或電壓響應。

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。

配套解決方案

一個常見的應用要求是I/O模塊或PLC具有微處理器隔離功能，或者它們在總線側(cè)具有電子控制單元。數(shù)據(jù)和電源都應電隔離。出于這兩個目的，ADI公司為SWIO系列開發(fā)了專用的電源和數(shù)據(jù)隔離器。ADP1032是一款高性能隔離電源管理單元（PMU），內(nèi)置一個帶降壓穩(wěn)壓器和數(shù)據(jù)隔離通道的隔離式反激式。如圖 2 所示。

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、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。AD74413R具有GPO，也可編程為特殊數(shù)字輸出（DO）。該引腳采用外部PMOS和ADM1270限流控制器，可調(diào)節(jié)幾百毫安的電流，用于驅(qū)動繼電器或燈。ADM1270為此類電感或電阻負載提供浪涌電流限制和過流保護。典型的應用示例可在AD74413R的評估板上找到。

當需要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)應用，因此我們主要討論AD74413R。還有一款更輕的版本，稱為AD74412R，面向樓宇控制應用。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26.4 V。

圖3.AD7441xR的典型應用電路，內(nèi)置ADP1032電源管理單元。

結(jié)論

借助合適的SWIO IC，制造商可以開發(fā)一個平臺，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用中使用這項技術，在這些應用中，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，因為它可以應用于已經(jīng)可用的安裝。

審核編輯：郭婷