精密DAC和看門狗提高了模擬輸出安全性

使用DAC和微處理器監(jiān)控器，可以提高工業(yè)控制器、可編程邏輯控制器（PLC）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)安全性。當(dāng)發(fā)生微處理器故障、光耦合器故障或欠壓情況時(shí)，模擬輸出設(shè)置為零電平（或引腳可編程中間電平）。演示了有關(guān)如何實(shí)現(xiàn)此功能的簡單應(yīng)用程序。

介紹

當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)級(jí)故障時(shí)，工業(yè)應(yīng)用中對安全狀態(tài)的需求至關(guān)重要。功能豐富的精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和微處理器（μP）監(jiān)控電路和看門狗定時(shí)器可用于確保模擬輸出默認(rèn)為已知的中間電平或零電平電平。

電路操作

工業(yè)控制器、可編程邏輯控制器 （PLC） 和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 中使用的常見模擬輸出控制信號(hào)包括電壓輸出，例如 0 至 5V、0 至 10V、±5V、±10V 和 4–20mA 電流環(huán)路。為確保安全完整性，模擬輸出控制信號(hào)應(yīng)默認(rèn)為已知的中間電平或零電平安全狀態(tài)，以響應(yīng)μP或系統(tǒng)故障。為了提高安全性，模擬輸出模塊通常采用光耦合器在μP和模擬輸出信號(hào)之間提供電氣隔離。

圖1電路滿足模擬輸出安全性和可靠性要求。當(dāng)發(fā)生μP故障、光耦合器故障或欠壓情況時(shí)，監(jiān)控電路（U3，MAX6303）將12位DAC（U2，MAX5120）模擬輸出設(shè)置為中間電平，進(jìn)而設(shè)置V外至 0V 安全狀態(tài)輸出。該電路還通過減少μP上的I/O引腳數(shù)量和消除光耦合器來改善平均無故障時(shí)間（MTBF）。

圖1.當(dāng)電源電壓、光耦合器或μP操作發(fā)生故障時(shí)，該DAC （U2）和μP監(jiān)控器（U3）共同產(chǎn)生用戶編程的安全狀態(tài)默認(rèn)輸出（V外).

三種DAC特性使電路能夠滿足安全關(guān)鍵功能：異步復(fù)位輸入（/CLR）、用戶可選復(fù)位值輸入（RSTVAL）和用戶可編程輸出（UPO）。這些內(nèi)置特性還消除了增設(shè)光耦合器的需求，減少了μP上的I/O引腳數(shù)量，并消除了外部分立電路。μP監(jiān)控器包括一個(gè)電阻可編程復(fù)位輸入門限、一個(gè)電容可編程看門狗定時(shí)器和一個(gè)復(fù)位超時(shí)周期。

以下是電路的工作原理。由于DAC代碼的范圍從000hex到FFFhex，模擬輸出電壓（V外） 范圍為 -10V 至 +10V。運(yùn)算放大器U1A （MAX9944）由DAC的內(nèi)部10ppm/°C精密帶隙基準(zhǔn)偏移;輸出運(yùn)算放大器U1B （MAX9944）配置為緩沖器，增益為4。

電路的輸出電壓計(jì)算公式為：

VOUT = VREF × (G × NB/4096 - 1) × (RF/RIN + 1)

其中 NB 是 DAC 二進(jìn)制代碼的數(shù)值;V裁判是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓;G是U1A的增益;和 RF/R在是 U1B 的增益電阻比。

微處理器監(jiān)控器 U3 監(jiān)控隔離電源電壓 （V.ISO） 通過其 V抄送針。它還使用 UPO 監(jiān)控 WDI 引腳上的 μP 活動(dòng)，并通過/復(fù)位生成復(fù)位輸出命令。復(fù)位輸入處的電阻分壓器（U3引腳1）確定復(fù)位電平電壓門限（V千).同樣，復(fù)位超時(shí)周期（tRP） 和看門狗超時(shí)期限 （t白矮星） 由 SRT 和 SWT 處的電容器值決定。將 WDS 連接到 V抄送進(jìn)入擴(kuò)展模式，延長 T白矮星500倍。以下公式計(jì)算電路中所需的值：

VRST = VTH(R1 + R2)/R2

其中 V千= 1.22V 和 VRST是可調(diào)復(fù)位閾值電壓：

C.SRT= tRP/2.67

其中 C.SRT以 pF 和 t 為單位RP以 μs 為單位;CSWT以 pF 和 t 為tWD以 μs 為單位。因此：

CSWT = tWD/(500 × 2.67)

如果 Vcc失敗或如果μP無法通過UPO切換WDI，則U3置位/RESET輸出，通過其CLR輸入復(fù)位U2。此操作將 U2 的輸出重置為 RSTVAL 設(shè)置的條件（在本例中為中間電平，在 V 時(shí)產(chǎn)生 0V外).在正常工作中，μP必須以小于編程看門狗超時(shí)周期（t白矮星).以這種方式，UPO輸出例行切換WDI，這意味著UPO在WDI上“踢狗”。請注意，在復(fù)位超時(shí)周期（tRP），/RESET有效釋放CLR，但DAC輸出在更新之前一直處于中間電平。

U3 的復(fù)位輸入和 GND 端子之間的切換允許用戶命令緊急關(guān)機(jī)。其它用于看門狗功能的器件是MAX6316系列和MAX6369系列，它們均提供固定的超時(shí)周期，并提供SOT23封裝。此外，DAC的單極性和雙極性模式允許其產(chǎn)生所有常見的模擬輸出控制信號(hào)。

結(jié)論

通過精密DAC和看門狗定時(shí)器μP監(jiān)控器的特殊功能，可以實(shí)現(xiàn)安全完整性的改進(jìn)。這些器件共同可以為許多工業(yè)控制器應(yīng)用中使用的模擬輸出提供安全狀態(tài)工作條件。

審核編輯：郭婷