摘要

　　本文介紹一種軟件可配置輸入/輸出（I/O）器件及其專(zhuān)用隔離電源和數(shù)據(jù)解決方案,，該解決方案有助于應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)模擬信號(hào)與工業(yè)以太網(wǎng)的橋接挑戰(zhàn)。本文闡明了軟件可配置I/O器件固有的通道靈活性,、故障檢測(cè)和診斷功能方面的優(yōu)勢(shì),。本文還給出了系統(tǒng)級(jí)評(píng)估結(jié)果，展示了系統(tǒng)解決方案的整體優(yōu)勢(shì),，包括系統(tǒng)穩(wěn)健性和功耗,。

　　引言

　　工業(yè)以太網(wǎng)的進(jìn)步使得工廠的智能互聯(lián)制造成為可能。現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表必須使用傳統(tǒng)模擬信號(hào)（即4至20 mA,、0 V至10 V）連接到以太網(wǎng)域,。這對(duì)固定功能的I/O模塊提出了挑戰(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)多個(gè)模塊來(lái)覆蓋不同的傳感器和執(zhí)行器,。然而,，固定功能模塊中的某些通道可能未被使用，成為多余通道,。軟件可配置I/O模塊支持有效使用I/O系統(tǒng)中的所有通道,。擁擠的布線可能導(dǎo)致傳感器和執(zhí)行器與這些固定功能I/O的連接不正確。調(diào)試和排除這些故障非常耗時(shí),，并且需要手動(dòng)將負(fù)載重新連接到I/O通道,。

　　軟件可配置I/O系統(tǒng)提供從傳統(tǒng)模擬信號(hào)到工業(yè)以太網(wǎng)域的無(wú)縫過(guò)渡。軟件可配置I/O器件可通過(guò)遠(yuǎn)程配置在任意通道上提供任意功能（模擬I/O,、數(shù)字I/O,、RTD），有助于簡(jiǎn)化調(diào)試,。這種靈活性與診斷功能相結(jié)合,，支持遠(yuǎn)程故障排除，從而節(jié)省技術(shù)人員的時(shí)間和精力,。圖1顯示了工業(yè)連接從傳統(tǒng)模擬信號(hào)到智能數(shù)字連接傳感器的演變,，而軟件可配置I/O支持無(wú)縫過(guò)渡。

　　ADI公司的AD74413R軟件可配置I/O與ADP1032 2通道隔離式微功耗管理單元(μPMU)的結(jié)合,，是穩(wěn)健的軟件可配置I/O解決方案的一個(gè)范例,。 AD74413R是一款四通道軟件可配置I/O，具備自動(dòng)故障檢測(cè)和診斷功能,。ADP1032專(zhuān)為AD74413R量身定制,，提供隔離電源和數(shù)據(jù)通道，從而實(shí)現(xiàn)緊湊型隔離式軟件可配置I/O系統(tǒng)。

　　通道靈活性

　　對(duì)于I/O要求各異的不同工業(yè)應(yīng)用,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一種支持快速配置以適應(yīng)需求的靈活系統(tǒng),。AD74413R的四個(gè)通道可配置為不同輸入和輸出模式，例如：

• 高阻抗

• 電壓輸入

• 電壓輸出

• 外部供電的電流輸入

• 環(huán)路供電的電流輸入

• 電流輸出

• 數(shù)字輸入邏輯

• 環(huán)路供電的數(shù)字輸入

• RTD測(cè)量

　　需要一組外部分立元件來(lái)支持四個(gè)通道中任何一個(gè)通道上的任何功能,，從而提供充分的靈活性,。如果執(zhí)行器或傳感器接線錯(cuò)誤，可利用單個(gè)SPI重新配置該通道,。

　　在單個(gè)封裝中提供所有功能可減少硬件設(shè)計(jì)的元件需求,，進(jìn)而帶來(lái)如下好處：

• 裝配和測(cè)試成本更低

• 可靠性更高，調(diào)試更輕松

• 簡(jiǎn)化采購(gòu)工作

• 與通用I/O的分立式方案相比,，通道密度更高

  
  

  圖1.軟件可配置I/O將傳統(tǒng)器件橋接到以太網(wǎng)

　　圖2顯示了支持AD74413R所有功能所需的外部元件,，無(wú)論連接的負(fù)載是什么。

　　圖2.AD74413R及支持所有功能所需的外部元件

　　故障檢測(cè)和診斷功能

　　AD74413R具備自動(dòng)故障檢測(cè)和多種診斷功能,，有助于定位故障,。在故障情況下,，ALERT引腳置為有效,，可用來(lái)中斷微控制器。然后,，用戶(hù)可查詢(xún)警報(bào)寄存器以確定故障的確切原因,。用戶(hù)還可以使能診斷信號(hào)以進(jìn)一步診斷所識(shí)別的故障。

　　圖3.軟件可配置I/O故障檢測(cè)

　　圖4.AD74413R分立電源解決方案框圖

　　AD74413R可檢測(cè)到如下故障：

• 復(fù)位

• 校準(zhǔn)存儲(chǔ)器錯(cuò)誤

• SPI CRC錯(cuò)誤

• ADC錯(cuò)誤

• 電源錯(cuò)誤

• 溫度錯(cuò)誤

• 開(kāi)路/短路錯(cuò)誤

　　這些功能允許用戶(hù)遠(yuǎn)程排除系統(tǒng)中發(fā)生的任何故障,。在現(xiàn)有許多系統(tǒng)中,，傳感器和執(zhí)行器可能位于遠(yuǎn)離控制室的潛在危險(xiǎn)區(qū)域。此外,，擁擠的布線也可能導(dǎo)致難以確定哪些電纜連接到哪個(gè)傳感器或執(zhí)行器,，使得這些系統(tǒng)的重新接線成本高昂且耗時(shí)。AD74413R模塊提供可配置能力和診斷功能,，可確定哪個(gè)傳感器或執(zhí)行器連接到哪個(gè)特定通道,。

　　隔離電源和數(shù)據(jù)解決方案

　　分立式方案

　　AD74413R的分立式隔離電源解決方案需要多個(gè)元件，如圖4所示,。使用單獨(dú)的隔離器來(lái)提供電源和數(shù)據(jù)隔離,。元件數(shù)量增加帶來(lái)了電路板面積較大的問(wèn)題。

　　ADP1032解決方案

　　圖5顯示了由ADP1032供電的AD74413R的框圖,。ADP1032有兩個(gè)隔離穩(wěn)壓軌和七個(gè)數(shù)據(jù)隔離通道,，這些全都在一個(gè)封裝中，可滿足隔離電源和數(shù)據(jù)通道的要求,。與分立式電源和數(shù)據(jù)隔離解決方案相比,，上述方案的電路板面積減少約3倍。因此，客戶(hù)可以提高其模塊中的整體通道密度,。AD74413R的四個(gè)SPI信號(hào)使用ADP1032的高速隔離數(shù)據(jù)通道,，這些通道經(jīng)過(guò)優(yōu)化，提供15 ns的低傳播延遲,，支持高達(dá)16.6 MHz的SPI時(shí)鐘速率,。在時(shí)序要求不那么嚴(yán)格的地方使用低速隔離數(shù)據(jù)通道，如,、和信號(hào),。

　　圖5.由ADP1032供電的AD74413R框圖

　　系統(tǒng)可靠性

　　AD74413R系統(tǒng)解決方案能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中保持穩(wěn)健，并提供以下保護(hù)特性：

• 螺絲端子上的TVS（用于防止浪涌事件）

• 面朝螺絲端子的引腳可承受±50 V DC及更高的電壓（針對(duì)瞬態(tài)事件）

• 在接線錯(cuò)誤的情況下,，無(wú)法從螺絲端子向器件供電

　　SPI CRC和SCLK計(jì)數(shù)特性確保不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的SPI事務(wù),。此外，ADP1032為AD74413R的兩個(gè)正軌提供隔離電源,，并隔離四個(gè)SPI信號(hào)和三個(gè)GPIO信號(hào)的數(shù)據(jù),。對(duì)于2級(jí)污染，ADP1032提供高達(dá)300 V的基本隔離,。ADP1032的電源和數(shù)據(jù)通道的電氣隔離保護(hù)系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響,，降低接地環(huán)路的噪聲，并確保人身安全,。

　　圖6.ADP1032 + AD74413R軟件可配置I/O系統(tǒng)的穩(wěn)健性

　　ADP1032和AD74413R作為一個(gè)完整系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證,，符合CISPR 11 B類(lèi)電磁輻射騷擾水平，裕量大于6 dB,，如圖7所示,。

　　圖7.AD74413R + ADP1032電磁輻射騷擾通過(guò)CISPR Class-B

　　功耗

　　靈活的多通道系統(tǒng)要求權(quán)衡系統(tǒng)功耗，因?yàn)锳D74413R軟件可配置I/O的每個(gè)通道都可以配置為不同模式,，而AD74413R的電源則保持單一輸出電壓,。設(shè)計(jì)人員必須選擇最高的AD74413R AVDD電源電壓，以便在考慮所需電壓裕量和負(fù)載特性的情況下支持最壞使用場(chǎng)景,，確保每種模式都能正常運(yùn)行,。考慮AD74413R處于電流輸出模式,、負(fù)載電阻為600 Ω,、輸入電流范圍高達(dá)20 mA的使用場(chǎng)景，這意味著螺絲端子上的最大輸出電壓為12 V,。根據(jù)AD74413R數(shù)據(jù)手冊(cè),，電流輸出模式所需的裕量電壓為4.6 V。將裕量電壓與最大輸出電壓相加得到16.6 V,，這是AD74413R在電流輸出模式下所需的最小AVDD電源電壓,。對(duì)于其他輸入和輸出模式,，應(yīng)進(jìn)行相同的AVDD電源電壓計(jì)算，并且必須將得到的最高AVDD電壓用作ADP1032 VOUT1的輸出,。

　　圖8.ADP1032 + AD74413黑盒示意圖

　　為了計(jì)算ADP1032 + AD74413R的系統(tǒng)功耗,，可以將整個(gè)系統(tǒng)視為一個(gè)黑盒，然后從提供給系統(tǒng)的輸入功率（PIN）中減去提供給負(fù)載的輸出功率（POUT）即可,，如圖8所示,。系統(tǒng)功耗包括ADP1032電源轉(zhuǎn)換的損耗、AD74413R靜態(tài)電流,、數(shù)字通道隔離器的靜態(tài)電流以及AD74413R輸出路徑中的損耗（尤其是所需的裕量）,。圖9顯示了AD74413R的所有四個(gè)通道配置為相同工作模式和相同負(fù)載特性時(shí)的系統(tǒng)功耗。在本例中,，為AD74413R AVDD供電的ADP1032 VOUT1輸出設(shè)置為16.6 V,，假設(shè)支持所有不同工作模式以及預(yù)定義的負(fù)載和輸入輸出條件。ADP1032的輸入電源為24 V,。電流輸出模式的系統(tǒng)功耗更差,，但在四個(gè)通道以滿量程輸出工作時(shí)，功耗仍小于1 W,，如圖9所示,。功耗受AD74413R的輸入和輸出電平以及負(fù)載的影響很大。

　　圖9.AD74413R + ADP1032系統(tǒng)針對(duì)不同工作模式和負(fù)載的功耗（所有四個(gè)通道配置相同）,，ADP1032輸入電源 = 24 V,。

　　選擇ADP1032的輸入電源（VINP）時(shí)須謹(jǐn)慎,。ADP1032 VINP的選擇將決定提供給AD74413R的ADP1032最大輸出電流,。圖10顯示了在整個(gè)VINP范圍內(nèi)，ADP1032對(duì)于各種VOUT1設(shè)置的最大輸出電流,。為ADP1032選擇的輸入電源必須能夠支持AD74413R在較差情況下的電流需求,，例如在輸出電流模式下，所有四個(gè)通道都驅(qū)動(dòng)20 mA的最大輸出電流時(shí),。

　　圖10.在整個(gè)輸入電源電壓范圍內(nèi),，ADP1032 VOUT1在不同輸出電壓下的最大輸出電流

　　結(jié)論

　　工廠的數(shù)字化帶來(lái)了產(chǎn)量、工廠利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高,。然而,，向數(shù)字化工廠的過(guò)渡并非易事，因?yàn)閭鹘y(tǒng)系統(tǒng)缺乏支持10BASE-T1L的傳感器和執(zhí)行器,。AD74413R軟件可配置I/O與ADP1032相結(jié)合,，填補(bǔ)了支持以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的空白。AD74413R的四個(gè)通道非常靈活,，每個(gè)通道都可以編程為八種不同的I/O配置,。其故障檢測(cè)和診斷功能可節(jié)省排錯(cuò)和系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間。診斷功能還可用于監(jiān)視系統(tǒng)以進(jìn)行維護(hù)。最后,，ADP1032對(duì)數(shù)據(jù)和電源進(jìn)行電氣隔離,，確保電源和數(shù)據(jù)安全高效傳輸。

　　參考資料

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