通過軟件可配置I/O解決工業(yè)4.0挑戰(zhàn)

作者：Bien Javier and Jefferson Eco

本文介紹一種軟件可配置輸入/輸出（I/O）器件及其專用隔離電源和數(shù)據(jù)解決方案，有助于解決將傳統(tǒng)模擬信號橋接到工業(yè)以太網(wǎng)的挑戰(zhàn)。本文介紹軟件可配置 I/O 設(shè)備固有的通道靈活性、故障檢測和診斷功能的優(yōu)勢。還介紹了系統(tǒng)級評估結(jié)果，以展示系統(tǒng)解決方案的整體優(yōu)勢，包括系統(tǒng)魯棒性和功耗。

介紹

工業(yè)以太網(wǎng)的進(jìn)步使工廠實現(xiàn)了智能互聯(lián)制造?，F(xiàn)場儀表必須使用傳統(tǒng)模擬信號（即 4 至 20 mA、0 V 至 10 V）連接到以太網(wǎng)域。這給固定功能I/O模塊帶來了挑戰(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計人員需要設(shè)計多個模塊來涵蓋不同的傳感器和執(zhí)行器。但是，固定功能模塊中的某些通道可能未使用且過剩。軟件可配置的I/O模塊允許高效使用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)試和修復(fù)這些故障非常耗時，需要手動將負(fù)載重新連接到 I/O 通道。

軟件可配置的I/O系統(tǒng)提供了從傳統(tǒng)模擬信號到工業(yè)以太網(wǎng)域的無縫過渡。軟件可配置的I/O設(shè)備可以通過遠(yuǎn)程配置在任何通道上提供任何功能（模擬I/O、數(shù)字I/O、RTD），這有助于簡化調(diào)試。這種靈活性與診斷功能相結(jié)合，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障排除，從而為技術(shù)人員節(jié)省時間和精力。圖 1 顯示了工業(yè)連接從傳統(tǒng)模擬信號到智能數(shù)字連接傳感器的演變，這些傳感器具有軟件可配置的 I/O，可實現(xiàn)無縫過渡。

圖1.將傳統(tǒng)設(shè)備橋接到以太網(wǎng)的軟件可配置 I/O。

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）相結(jié)合，是穩(wěn)健的軟件可配置I/O解決方案的一個例子。AD74413R是一款四通道軟件可配置I/O，具有自動故障檢測和診斷功能。ADP1032專為AD74413R量身定制，可提供隔離電源和數(shù)據(jù)通道，支持緊湊、隔離的軟件可配置I/O系統(tǒng)。

渠道靈活性

對于具有不同I/O要求的各種工業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計人員需要一個靈活的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以快速配置以適應(yīng)需求。AD74413R的四個通道可配置為各種輸入和輸出模式，例如：

高阻抗

電壓輸入

電壓輸出

外部供電電流輸入

環(huán)路供電電流輸入

電流輸出

數(shù)字輸入邏輯

環(huán)路供電數(shù)字輸入

熱電阻測量

需要一組外部分立元件來支持四個通道中的任何一個上的任何功能，從而提供充分的靈活性。如果執(zhí)行器或傳感器接線錯誤，可以使用單個SPI重新配置通道。

在單個封裝中提供所有功能需要更少的硬件設(shè)計組件，這導(dǎo)致：

降低裝配和測試成本

可靠性更高，調(diào)試更輕松

簡化采購

與通用 I/O 的分立實施相比，通道密度更高

圖2顯示了支持AD74413R所有功能所需的外部元件，無論連接的負(fù)載如何。

圖2.AD74413R具有所有功能所需的外部元件。

故障檢測和診斷功能

AD74413R具有自動故障檢測和不同的診斷功能，有助于實現(xiàn)故障隔離。ALERT 引腳被置位，可用于在故障情況下中斷微控制器。然后，用戶可以查詢警報寄存器以確定故障的確切原因。用戶還可以啟用診斷信號以進(jìn)一步診斷已識別的故障。

圖3.軟件可配置的 I/O 故障檢測。

這些是AD74413R可以檢測到的故障：

重置

校準(zhǔn)內(nèi)存錯誤

SPI CRC 錯誤

模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差

電源錯誤

溫度誤差

開路/短路錯誤

這些功能允許用戶遠(yuǎn)程排除系統(tǒng)中發(fā)生的任何故障。在許多現(xiàn)有系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器可能遠(yuǎn)離控制室，并位于潛在的危險區(qū)域。此外，擁擠的布線也可能使確定哪些電纜連接到哪個傳感器或執(zhí)行器變得困難，使得物理重新布線這些系統(tǒng)的成本過高且耗時。AD74413R模塊提供可配置性和診斷功能，以確定哪個傳感器或執(zhí)行器連接到特定通道。

隔離電源和數(shù)據(jù)解決方案

離散實現(xiàn)

AD74413R的分立隔離電源解決方案需要多個元件，如圖4所示。單獨的隔離器用于提供電源和數(shù)據(jù)隔離。這就產(chǎn)生了由于元件數(shù)量增加而具有較大電路板面積的問題。

圖4.AD74413R分立式電源解決方案框圖

ADP1032解決方案

圖5顯示了由ADP1032供電的AD74413R的框圖。ADP1032在一個封裝中集成了兩個隔離穩(wěn)壓軌以及七個數(shù)據(jù)隔離通道，可滿足對隔離電源和數(shù)據(jù)通道的要求。與采用分立式電源和數(shù)據(jù)隔離解決方案相比，電路板面積減少了~3×。這允許客戶提高其模塊的整體通道密度。AD74413R的四個SPI信號使用ADP1032的高速隔離數(shù)據(jù)通道，這些通道針對15 ns的低傳播延遲進(jìn)行了優(yōu)化，支持高達(dá)16.6 MHz的SPI時鐘速率。低速隔離數(shù)據(jù)通道用于時序不重要的場合，如LDAC、RESET和ALERT信號。

圖5.由ADP1032供電的AD74413R框圖。

系統(tǒng)穩(wěn)健性

AD74413R系統(tǒng)解決方案設(shè)計為在惡劣工業(yè)環(huán)境中魯棒，并提供以下保護(hù)功能：

螺絲端子上的TVS（用于防止浪涌事件）

面向引腳的螺絲端子可承受 ±50 V DC 或更高電壓（用于瞬態(tài)事件）

在接線錯誤事件中，無法從螺絲端子向設(shè)備供電

SPI CRC 和 SCLK 計數(shù)功能可確保不會發(fā)生錯誤的 SPI 事務(wù)。此外，ADP1032為AD74413R的兩個正電源軌提供隔離電源，并隔離四個SPI信號和三個GPIO信號的數(shù)據(jù)。ADP1032具有高達(dá)300 V的基本隔離，污染等級為2。ADP1032電源和數(shù)據(jù)通道中的電氣隔離可保護(hù)系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，降低接地環(huán)路的噪聲，并實現(xiàn)物理安全。

圖6.ADP1032 + AD74413R軟件可配置I/O系統(tǒng)魯棒性。

ADP1032和AD74413R作為一個完整的系統(tǒng)進(jìn)行測量和驗證，符合CISPR 11 B類輻射發(fā)射水平，裕量大于6 dB，如圖7所示。

圖7.AD74413R + ADP1032輻射發(fā)射通過CISPR B類。

功耗

擁有靈活的多通道系統(tǒng)需要權(quán)衡系統(tǒng)功耗，因為AD74413R軟件可配置I/O的每個通道都可以配置為各種模式，而AD74413R的電源則保持單輸出電壓。設(shè)計人員必須選擇最高的AD74413R AVDD電源電壓，因此它可以支持最壞情況，同時考慮所需的電壓裕量和負(fù)載特性，以確保每種模式的正常運行?？紤]AD74413R處于電流輸出模式的用例，負(fù)載電阻為600 Ω，輸入電流范圍高達(dá)20 mA。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，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，這是所需的最小AVDD電流輸出模式下為AD74413R供電。相同的視音頻DD應(yīng)針對其他輸入和輸出模式以及產(chǎn)生的最高AV進(jìn)行電源電壓計算DD電壓必須用作ADP1032 V的輸出輸出1.

ADP1032 + AD74413R系統(tǒng)功耗的計算方法是將整個系統(tǒng)視為黑匣子，然后減去輸出功率（P外）從輸入功率（P在） 提供給系統(tǒng)，如圖 8 所示。系統(tǒng)功耗將包括ADP1032電源轉(zhuǎn)換損耗、AD74413R靜態(tài)電流、數(shù)字通道隔離器靜態(tài)電流以及AD74413R輸出路徑損耗，尤其是所需的裕量。圖9顯示了AD74413R所有四個通道配置相同工作模式和相同負(fù)載特性的系統(tǒng)功耗。在本例中，ADP1032 V輸出1為AD74413R AV供電的輸出DD設(shè)置為 16.6 V，假設(shè)該電壓支持預(yù)定義負(fù)載以及輸入和輸出條件下的所有不同工作模式。ADP1032的輸入電源電壓為24 V，電流輸出模式下的系統(tǒng)功耗較差，對于以滿量程輸出工作的四個通道，系統(tǒng)功耗仍小于1 W，如圖9所示。功耗受AD74413R輸入和輸出電平以及負(fù)載的影響很大。

圖8.ADP1032 + AD74413黑匣子圖示。

圖9.AD74413R + ADP1032系統(tǒng)功耗適用于各種工作模式和負(fù)載（所有四個通道配置相同），ADP1032輸入電源= 24 V。

選擇ADP1032的輸入電源時必須小心（VHN1）.ADP1032 V的選擇HN1將確定提供給AD74413R的ADP1032的最大輸出電流。圖10顯示了ADP1032在各種V下的最大輸出電流輸出1跨 V 的設(shè)置HN1范圍。為ADP1032選擇的輸入電源必須能夠在最壞情況下支持AD74413R的電流需求，例如在輸出電流模式下，所有四個通道都驅(qū)動20 mA的最大輸出電流。

圖 10.ADP1032 V輸出1輸入電源電壓范圍內(nèi)各種輸出電壓下的最大輸出電流。

結(jié)論

工廠的數(shù)字化帶來了產(chǎn)量、工廠利用率和勞動生產(chǎn)率的提高。然而，向數(shù)字工廠的過渡是一個挑戰(zhàn)，因為傳統(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耦合，彌補了以太網(wǎng)現(xiàn)場儀表的差距。AD74413R的四個通道非常靈活，每個通道都可以編程為8種不同的I/O配置。其故障檢測和診斷功能可節(jié)省系統(tǒng)調(diào)試和調(diào)試時間。診斷功能還可用于監(jiān)控系統(tǒng)的維護(hù)情況。最后，ADP1032對數(shù)據(jù)和電源進(jìn)行電氣隔離，確保電源和數(shù)據(jù)的安全高效傳輸。

審核編輯：郭婷