許多商業(yè)和工業(yè)應用都面臨一個難題，即如何通過接口" title="接口">接口將低壓微控制器" title="控制器">控制器及數(shù)字信號處理器 (DSP) 連接至高壓傳感器開關(guān)和其他數(shù)字,、高壓電路,。大多數(shù)情況下，需要通過這些接口獲取二進制（1/0,，或者高/低）狀態(tài)信息形式的反饋,。
新一代的接口器件，被稱作數(shù)字輸入串行器 (DIS),，其在連接低功耗" title="低功耗">低功耗微控制器的同時能夠以最高能效方式對數(shù)字輸入電壓進行檢測,，檢測范圍最低可達 6Vdc，最高可達300 Vdc,。
本文將介紹數(shù)字輸入串行器的工作原理及其低,、中、高壓輸入信號的配置情況,。
工作原理
為了更好地理解 DIS 的工作原理,，我們以完整的接口設計為背景來對這種器件進行研究（請參見圖 1）。一般而言,，高壓總線為一組傳感器開關(guān)即 S0 – S7 供電,，其開/關(guān)狀態(tài)由器件的八個現(xiàn)場輸入即 IP0 – IP7 來檢測。內(nèi)部信號處理將輸入信號轉(zhuǎn)換為低伏電平,，并將其應用于并行輸入,、串行輸出移位寄存器的輸入。由于微控制器的負載脈沖作用于 /LD 輸入,，因此內(nèi)部輸入數(shù)據(jù)被鎖閉到移位寄存器中,。微控制器向 CLK 輸入施加一個時鐘信號，根據(jù)該信號以串行方式將數(shù)據(jù)從 DIS 中移位，然后通過數(shù)字隔離器進入一個控制器寄存器,，這樣便完成了移位寄存器內(nèi)容的讀取,。
高壓接口要求使用數(shù)字隔離器，目的是將劇烈變化的遠距離傳感器開關(guān)接地電位,，同控制器電子器件的局部接地電隔離,。
圖 1 數(shù)字輸入串行器的典型結(jié)構(gòu)
適用于高伏接口的一些傳感器開關(guān)包括接近開關(guān)、繼電器觸點,、限位開關(guān),、按鈕開關(guān)等等。就高輸入電壓而言,，輸入電阻器 RIN0 到 RIN7 的實施對于將輸入開關(guān)閾值升至更高電平來說是必要的,，而低輸入電壓的系統(tǒng)一般無需輸入電阻器。
圖 1 表明高達 34V 的電源電壓可以直接作用于電源接線端和八個輸入端,，無需保護電阻器,。在使用這種電源電壓的情況下，內(nèi)部線性穩(wěn)壓器可以提供穩(wěn)定的 5V 輸出,，以為器件內(nèi)部電路和外部隔離器或者微控制器供電,。另一個輔助功能是片上溫度傳感器，其在結(jié)溫達到 150oC 時便向控制器發(fā)出報警,。
通過可調(diào)節(jié)輸入電流限制,，讓在器件輸入端直接使用高達 34V 的高壓成為可能。就純電阻輸入的高壓接口而言,，由于輸入電流增加帶來輸入電壓上升,，從而導致其功耗急劇上升。與之相比,，由于將輸入電流限制在某個恒定電平，而這一電平可以通過使用一個外部精密電阻器來進行調(diào)節(jié),，因此 DIS 的輸入極大地降低了功耗,。
另外，每條通道都對其輸入信號進行強度和耐力檢查,。這種電流,、電壓檢測功能具有一些內(nèi)部信號閾值，用于確保通道不會被漏電流或者殘留電壓觸發(fā),。
在導通狀態(tài)（開關(guān)關(guān)閉）的情況下,，電流比較器檢測輸入電流是否高于預定義的漏電流閾值，而電壓比較器則檢測輸入電壓是否高于內(nèi)部設定的基準電壓,。如果兩個比較器輸出均為邏輯高電平,，則可編程去抖動濾波器檢查輸入狀態(tài)的新變化是否由噪聲瞬態(tài)或者真輸入信號所引起。
導通狀態(tài)時，濾波器輸出為高電平,，同時電流限制器輸出連接至信號返回輸出(Rex),。每個 RE-輸出均有一個發(fā)光二極管 (LED) 連接接地層，從而實現(xiàn)傳感器開關(guān)狀態(tài)的可視化指示,。因此,，如果某個開關(guān)關(guān)閉，則 LED 亮起,。在斷開狀態(tài)（開關(guān)打開）下,，濾波器輸出為低電平，同時電流限制器的輸出接地,，則 LED 不亮,。
輸入配置
針對某種應用對數(shù)字輸入串行器進行配置時，只有兩個重要的參數(shù),，即輸入電流限制 IIN-LIM 和導通閾值 VIN-ON,。這兩個參數(shù)均通過外部電阻器 RLIM 以及 RIN0 到 RIN7 來進行調(diào)節(jié)。盡管 RLIM 定義所有八條輸入通道的電流限制,，但也可以通過使用不同的 RIN 值,，來單獨設定每條通道的導通閾值。
電流限制器內(nèi)部實現(xiàn)比較器功能,，其閾值電流 ITH 與最大輸入電流 IIN-LIM 完全相同,。利用一個反射系數(shù)為 n = 72 的電流鏡，通過基準電流 IREF 推導出 ITH,。由于 IIN-LIM 與 ITH 相同,，因此最大輸入電流可以表示為：
方程式 1
IREF 反過來又由內(nèi)部 1.25V 帶隙基準與外部電阻器 RLIM 的比計算得到：
. 
方程式 2
將方程式 2 插入到方程式 1 中，得到 IIN-LIM 為 RLIM 的函數(shù)：
. 
方程式 3
求解方程式 3 得到 RLIM,，即設置理想電流限制所需的電阻器值：
. 
方程式 4
現(xiàn)場輸入導通閾值電壓 VIN-ON,，與電流限制、輸入電阻器以及器件輸入的導通閾值電壓 VIP-ON 有關(guān),。VIP-ON 等于內(nèi)部電壓檢測比較器的固定 5.2V 基準電壓,。因此，VIP-ON 可以表示為：
方程式 5
插入 VIP-ON 的數(shù)值,，然后代入方程式 3 的 IIN-LIM 計算結(jié)果,，得到：
方程式 6
然后求解 RIN，得到設置規(guī)定電流限制條件下理想導通閾值所要求的輸入電阻器值：
方程式 7
因此,，針對各種應用對 DIS 進行完全配置只需要兩個方程式,，即方程式 3 用于設置電流限制，而方程式 7 用于達到理想導通閾值電壓,。根據(jù)這兩個方程式,，表 1 列出了不同輸入閾值電壓和電流限制的各種電阻器組合情況,。
表 1 各種輸入配置
表 1 中的星號表示非常高的輸入電壓會超出最大器件電壓 34V。這種情況下,，IPx 和接地之間連接的 30V 齊納二極管可防止器件輸入毀壞,。將開關(guān)閾值設定在輸入電壓范圍的中間，即 VIN-ON = VIN-max/2,，這時最大齊納電流將等于輸入電流限制,，即 IZ-max = IIN-LIM，同時總輸入電流將為電流限制的兩倍,。
若想節(jié)能,，需將電流限制設定為 0.5mA。很明顯,，在這種低輸入電流情況下,，將指示器 LED 連接至 Rex 輸出沒有意義，因為其不會亮起,。相反,，我們應該將它們放置在 CMOS 輸出可以很容易地實現(xiàn) LED 驅(qū)動功能的控制器端。
串行接口
圖 1 表明對于高達 24V 標稱值,、或者 34V 最大值的總線電源來說,，數(shù)字輸入串行器可以將總線電壓調(diào)低到 5V，以為數(shù)字隔離器或者微控制器提供充足的電源,。但是,，在高壓條件下，在DIS之前調(diào)低總線電源電壓,，會極大地降低總功效,。在非隔離應用中，使用一個微型充電泵,，并通過控制器電源為 DIS 提供備用電源,，這樣做更利于提高能效。但是,，在隔離式應用中,，要求一個隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來穿過隔離層提供控制器電源。
實施電氣隔離的原因是,，數(shù)字輸入串行器一般用于檢測遠距離安裝傳感器和信號源的輸出電壓，例如：AC 整流器的輸出,，其接地電位明顯不同于本地控制器接地,。將各種接地電位相互連接會引起大量接地環(huán)路電流流動。使用數(shù)字隔離器可以防止出現(xiàn)這種情況,。
如前所述,，DIS 數(shù)字接口的控制很容易實施,。系統(tǒng)控制器只需通過其通用輸出端之一，向 DIS 的/LD 輸入端發(fā)送一個短且低活躍度的負載脈沖,，旨在將當前的現(xiàn)場輸入狀態(tài)鎖存至 DIS 移位寄存器中,。之后，它向 CLK 線路施加一個時鐘信號,，以串行方式移出寄存器內(nèi)容,。
如圖 2 所示，DIS 的移位寄存器結(jié)構(gòu)通過簡單地將前面器件的串行輸出 SOP 連接至后面器件的串行輸入 SIP,，實現(xiàn)以菊花鏈方式連接多個器件,。這種方法允許進行高通道數(shù)目的緊湊型數(shù)字輸入模塊設計，同時其僅使用了一個串行接口,。
一次讀取多個 DIS 器件的內(nèi)容時,，較短的讀取周期時間便為基本要求，而標準微控制器 SPI 接口的最大速度已經(jīng)可以達到 10 MHz 或者 20 Mbps,。但是,，DIS 的串行接口可以支持高達 300 Mbps的數(shù)據(jù)速率，其甚至超出了一些高速隔離器的數(shù)據(jù)速率,。因此,，若想將讀取周期時間縮短至絕對最小值，便要求極高的時鐘頻率,，同時還必須消除隔離器的傳播延遲,。
正因如此，微控制器常常被現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 所取代,，因為它不僅僅具有高時鐘頻率,，而且還允許實現(xiàn)接收時鐘輸入（如圖 2 藍色線條所示）。然后,，由 FPGA 發(fā)送的相同時鐘信號,，經(jīng)過隔離器延遲，開始將寄存器內(nèi)容移出 DIS,，同時與 SOP 信號一起通過另一個隔離器通道獲得反饋,，從而保持接收時鐘和數(shù)據(jù)之間的相位關(guān)系。
圖 2 隔離 32-通道數(shù)字輸入模塊
結(jié)論
數(shù)字輸入串行器是低功耗控制器與高 DC 電壓接口連接的最通用解決方案,。SN65HVS88x 系列數(shù)字輸入串行器支持低壓控制器和高壓應用之間的接口設計,，擁有各種各樣的特性，例如：欠壓檢測,、電流限制,、去抖動濾波、散熱保護,、奇偶發(fā)生以及單 5V 電源等,。
參考文章
• 《數(shù)字輸入串行器提升了高通道密度輸入模塊性能》,，作者：Kugelstadt, Thomas，TI,，發(fā)表于 2008 年 6 月刊《工業(yè)控制設計》,。
• 2008 年 12 月，TI《SN65HVS880 用戶指南》,。
作者簡介
Thomas Kugelstadt 現(xiàn)任 TI 高級系統(tǒng)工程師,，主要負責定義新型高性能模擬產(chǎn)品以及探測和調(diào)節(jié)工業(yè)系統(tǒng)中低電平模擬信號完整系統(tǒng)解決方案的開發(fā)工作。在 TI 工作的 20 年間,，他曾被派往歐洲,、亞洲以及美國擔任過各種國際應用職位。 Thomas 畢業(yè)于法蘭克福應用技術(shù)大學 (Frankfurt University of Applied Science),，一畢業(yè)就成為一名見習工程師 (Graduate Engineer),。