基于DIS的功能原理及實(shí)現(xiàn)高通道密度輸入模塊的設(shè)計(jì)

工業(yè)自動(dòng)化和過程控制中的監(jiān)控需求日益增多，這種發(fā)展趨勢(shì)要求采用高通道密度的輸入模塊。在這些應(yīng)用中，24V直流數(shù)字輸入（DI）是整個(gè)工業(yè)I/O市場(chǎng)中最大的一塊，它們捕獲來自眾多機(jī)械接觸和固態(tài)開關(guān)器件的雙狀態(tài)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成單比特二進(jìn)制數(shù)字。

現(xiàn)代數(shù)字輸入模塊設(shè)計(jì)具有高通道數(shù)、小外形尺寸、低功耗和高數(shù)據(jù)速率要求。由于功耗高和組件數(shù)量多的原因，使用分立電阻二極管網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)輸入設(shè)計(jì)已無法滿足這些要求。數(shù)字輸入串行器（DIS）等新型創(chuàng)新電路設(shè)計(jì)的性能則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出上述要求，為未來數(shù)字輸入設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

本文首先概述了傳統(tǒng)數(shù)字輸入設(shè)計(jì)，并將其性能和集成于數(shù)字輸入串行器的創(chuàng)新功能進(jìn)行對(duì)比，隨后重點(diǎn)介紹了DIS的功能原理，并說明如何利用其特性實(shí)現(xiàn)真正的高通道密度輸入模塊設(shè)計(jì)。

數(shù)字輸入開關(guān)特性

雖然DI可符合各種輸入特性，但最常用的還是IEC61131-2標(biāo)準(zhǔn)的1類、2類、3類特性（請(qǐng)參見圖1）。

1類特性檢測(cè)來自諸如繼電器開關(guān)、按鈕和開關(guān)等機(jī)械接觸開關(guān)器件的信號(hào)。1類特性可能并不適合于同傳感器和鄰近開關(guān)等固態(tài)器件一起使用。

2類特性檢測(cè)來自諸如老式雙線鄰近開關(guān)等、根據(jù)IEC*97-2標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的高功耗、固態(tài)開關(guān)器件信號(hào)。這種特性還可以被用于1類和3類特性應(yīng)用。

3類特性輸入不但可以和最先進(jìn)的雙線鄰近開關(guān)等低功耗、固態(tài)開關(guān)器件一起使用，而且還可以用于一些1類特性應(yīng)用中。上述輸入擁有比2類特性更低的功耗；因此，允許每個(gè)模塊具有更高的輸入通道密度。

傳統(tǒng)輸入通道設(shè)計(jì)

雖然存在一些使用不同R-D網(wǎng)絡(luò)的各種輸入設(shè)計(jì)，但是它們都具有下列相同要求：符合IEC61131-2標(biāo)準(zhǔn)1類特性、2類特性或3類特性的輸入開關(guān)特性；場(chǎng)側(cè)輸入狀態(tài)指示（IEC61131-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）；噪聲抑制防回跳（debounce）電路（盡管并未標(biāo)準(zhǔn)化，但兩個(gè)常見為1ms和3ms）；來自低壓PLC或I/O電子器件的24V場(chǎng)輸入電隔離。

圖2顯示了兩種輸入通道設(shè)計(jì)：輸入特性由RIN和RP電阻值決定；通過位于場(chǎng)側(cè)的LED指示開關(guān)狀態(tài)；通過R-C時(shí)間常量來實(shí)現(xiàn)噪聲抑制；并通過光學(xué)耦合器來提供電隔離。

例如，在一個(gè)32通道輸入模塊中，分立元件總數(shù)太多，以至于無法獲得高通道密度。

另一個(gè)缺點(diǎn)是“開啟”狀態(tài)下的功耗高。按照設(shè)計(jì)，輸入的開啟/關(guān)閉閾值一般出現(xiàn)在過渡區(qū)中間的某個(gè)位置（灰色陰影“開啟”和“關(guān)閉”區(qū)域之間的白色區(qū)域），輸入電流不斷上升，直到場(chǎng)輸入電壓達(dá)到其額定值24V。另外，IEC標(biāo)準(zhǔn)允許額定24V場(chǎng)電源在15%到20%范圍內(nèi)變化，這樣實(shí)際上電壓達(dá)到30V時(shí)才會(huì)出現(xiàn)最大輸入功耗。

就圖1所示的1類特性開關(guān)而言，24V電壓時(shí)的11mA輸入電流和30V電壓時(shí)的13.5mA輸入電流，將分別產(chǎn)生260mW和400mW的功耗。該功耗被轉(zhuǎn)換成熱。由于分立組件的功耗效率較低，如果輸入通道相互之間過于靠近，則將在印刷電路板上形成“熱點(diǎn)”，這是降低高通道密度設(shè)計(jì)性能的另一個(gè)因素。

降低功耗、減少隔離器數(shù)量的第一步為圖3所示電路。這里，Q1附近一個(gè)恒定電流源提供了一個(gè)由RLIM值決定的規(guī)范定義的電流極限值。每一級(jí)均包括一個(gè)通過RF和CF的防回跳濾波器，在使用低容差組件時(shí)其可得到準(zhǔn)確的防回跳時(shí)間。

這種電路的另一個(gè)好處是從24V場(chǎng)輸入降至5V邏輯電平的電平轉(zhuǎn)換，允許防回跳濾波器輸出狀態(tài)被鎖存到移位寄存器的并行輸入中。將并行場(chǎng)輸入信息轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流大大減少了所需的隔離器數(shù)量，并使隔離器數(shù)目不受輸入模塊通道數(shù)目影響。

數(shù)字輸入串行器

數(shù)字輸入串行器（DIS）專為商業(yè)和工業(yè)輸入應(yīng)用量身設(shè)計(jì)，使用12V到24V直流額定電壓及最高34V輸入電壓。DIS可提供連接至雙線或三線DC接近開關(guān)、繼電器開關(guān)、按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、浮控開關(guān)、選擇器開關(guān)和光電傳感器的8個(gè)并行輸入（圖4）。

開關(guān)的“開啟-關(guān)閉”狀態(tài)信息由信號(hào)調(diào)節(jié)級(jí)完成電平轉(zhuǎn)換和濾波，該調(diào)節(jié)級(jí)的8個(gè)并行輸出均被鎖存到串行器中。在外部控制器的管理下，串行器內(nèi)容以串行的形式被輸出。數(shù)字隔離器可以提供一個(gè)獨(dú)立的接口，用于場(chǎng)側(cè)DIS和控制端基于PLC或PC系統(tǒng)的系統(tǒng)控制器之間的控制和數(shù)據(jù)線路。通過將主要器件的串行輸出與后面器件的串行輸入連接，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)DIS器件的級(jí)聯(lián)，從而獲得具有高通道密度的數(shù)字輸入模塊設(shè)計(jì)。需要注意的是，輸入電阻RIN0:7是非IEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的可選組件。零輸入電阻允許具有分別為5V和4.5V的“開啟”和“關(guān)閉”閾值電壓的低壓開關(guān)。

但是，由于某些原因，工業(yè)輸入設(shè)計(jì)需要輸入電阻。在給定電流極限的情況下，這些電阻將場(chǎng)輸入閾值電壓電平轉(zhuǎn)換至IEC61131-2標(biāo)準(zhǔn)1類特性、2類特性和3類特性的中間區(qū)域。根據(jù)IEC61000-4-4和-4-5標(biāo)準(zhǔn)，在電磁兼容性測(cè)試（EMC）過程中，輸入電阻還具有部分猝發(fā)和浪涌保護(hù)作用。最后，輸入電阻還起到限流電阻的作用，從而防止器件短路時(shí)出現(xiàn)火災(zāi)，這也是一種U.L認(rèn)證要求。

集成的線性穩(wěn)壓器將24V電源電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓后的5V輸出，以同時(shí)向內(nèi)部器件和外部數(shù)字隔離器供電。

如果器件內(nèi)部溫度超過150℃時(shí)，片上溫度傳感器便顯示故障狀態(tài)。溫度傳感器輸出可以通過外部LED顯示，或者通過隔離通道傳輸至系統(tǒng)控制器的中斷輸入。

電流檢測(cè)

每一條輸入通道均包括一個(gè)電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)電路，它們將輸入信號(hào)與其各自的參考閾值進(jìn)行對(duì)比。另外，電流檢測(cè)功能包括一個(gè)具有可調(diào)電流極限值范圍（0.2mA到5mA）的限流器電路。所有通道的電流極限均由外部高精確電阻RLIM的電阻值決定。

電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)級(jí)的輸出均由AND功能進(jìn)行柵極控制，并被用于保證輸入信號(hào)足夠穩(wěn)定的防回跳濾波器。也就是說，其持續(xù)時(shí)間必須超過濾波器防回跳時(shí)間，才能被看作是有效輸入。對(duì)于一個(gè)有效輸入信號(hào)，防回跳濾波器輸出會(huì)出現(xiàn)在串行器并行輸入上，準(zhǔn)備隨同下一個(gè)負(fù)載脈沖一起被鎖存。與此同時(shí)，防回跳濾波器輸出對(duì)限流器（紅色虛線）內(nèi)的開關(guān)進(jìn)行控制，并將其朝向返回輸出REx方向開關(guān)。這樣，流經(jīng)外部LED（紅色粗線）的大部分輸入電流方向被改變，從而顯示一個(gè)有效的“開啟”狀態(tài)。

防回跳選擇邏輯決定了所有通道的防回跳時(shí)間。三種典型的值為：3ms、1ms和0ms。取值為0ms時(shí)，防回跳濾波器在內(nèi)部被繞過，可以進(jìn)行外部設(shè)置修改防回跳時(shí)間。

片上串行器將防回跳濾波器輸出內(nèi)的并行信息轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流，為在隔離數(shù)據(jù)通道中進(jìn)行傳輸做好了準(zhǔn)備。串行器控制由控制器通過標(biāo)準(zhǔn)控制通道（如負(fù)載、時(shí)鐘和時(shí)鐘啟動(dòng)等）來維持。高達(dá)100MHz時(shí)鐘頻率使得在不到500ns的時(shí)間內(nèi)（從四個(gè)級(jí)聯(lián)DIS器件）掃描32個(gè)輸入成為可能。這極大地改善了數(shù)據(jù)吞吐能力、數(shù)據(jù)延遲和系統(tǒng)層節(jié)能狀況。

節(jié)能

傳統(tǒng)R-D結(jié)構(gòu)的輸入電流不斷隨輸入電壓成比例上升，而DIS器件的限流器可以確?！伴_啟”狀態(tài)下輸入電流恒定。利用“關(guān)閉-開啟”過渡點(diǎn)后輸入電流變?yōu)楠?dú)立電流，可極大降低功耗。表中列舉出了三個(gè)IEC輸入特性下限流輸入相對(duì)于R-D輸入的節(jié)能情況，其源自于圖6中的輸入電流圖。

散熱

限流要求大幅增加了輸入電阻。因此，輸入場(chǎng)效應(yīng)晶體管的I2R損耗在過渡點(diǎn)后急劇上升。該功率被轉(zhuǎn)換成熱量，并且必須得到有效散熱，因此才使用了封裝底部有一塊散熱焊盤的散熱增強(qiáng)型封裝。另外，PCB設(shè)計(jì)必須留有一塊足夠大的銅區(qū)域，以便在與散熱焊盤接觸時(shí)確保有效散熱。

有效的散熱使8個(gè)輸入通道能夠被集成到一個(gè)芯片中，從而為高通道密度設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

如欲熟悉散熱增強(qiáng)型封裝應(yīng)用以及相關(guān)PCB布局，請(qǐng)參閱本文參考文獻(xiàn)部分的應(yīng)用手冊(cè)SLMA002B。

節(jié)省空間

上面的介紹聽起來極為復(fù)雜，并且會(huì)占用較多空間，其實(shí)不然。例如，圖4所示數(shù)字輸入串行器采用了*x9.4mm的28引腳Power-Pad封裝。與帶有16個(gè)電阻和8個(gè)二極管的傳統(tǒng)8通道R-D輸入模塊的板級(jí)空間相比，該器件的空間占位非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。

更多通道數(shù)目的模塊中，空間節(jié)省甚至更加明顯，如將4個(gè)DIS器件和一個(gè)32通道輸入模塊級(jí)聯(lián)時(shí)（圖8）。

現(xiàn)在，相比64個(gè)電阻和32個(gè)二極管，4個(gè)串行器占用空間極小。此外，將32個(gè)并行輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)串行數(shù)據(jù)流只使用一個(gè)四通道隔離器就足夠了，從而替代了32個(gè)光學(xué)耦合器。

本文小結(jié)

數(shù)字輸入串行器為創(chuàng)新型、高集成度系統(tǒng)解決方案，為高通道密度數(shù)字輸入模塊量身定做?？蓪?shí)現(xiàn)高通道密度設(shè)計(jì)的三個(gè)主要特性是：1）內(nèi)部限流特性，相比傳統(tǒng)的電阻二極管結(jié)構(gòu)能節(jié)能60%到80%；2）采用散熱增強(qiáng)型封裝，其輸入設(shè)計(jì)散熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立組件；3）可以級(jí)聯(lián)多個(gè)串行器，且只需要一個(gè)隔離器電路。

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