軟件可配置硬件如何幫助提高工業(yè)I/O模塊的靈活性

無論是用于過程控制安裝還是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，I/O模塊或現(xiàn)場(chǎng)接線盒在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中都面臨著各種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。產(chǎn)品管理面臨著每個(gè)產(chǎn)品需要多少渠道和哪些組合的決策。電子設(shè)計(jì)人員必須決定如何為項(xiàng)目中的各種模擬或數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)最佳性能和經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)。安裝技術(shù)人員可能會(huì)被所有不同的產(chǎn)品和眾多的接線方案所淹沒。如果我們能夠設(shè)計(jì)一個(gè)具有最大靈活性的系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)這些困難，生活不是更容易嗎？ADI公司的全新軟件可配置輸入/輸出（SWIO）IC產(chǎn)品系列通過隨時(shí)支持任何引腳上的任何功能和任意組合來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

對(duì)于過程控制或工廠自動(dòng)化中的工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統(tǒng)（DCS），最終客戶和應(yīng)用有不同的要求。對(duì)于產(chǎn)品經(jīng)理來說，定義正確的產(chǎn)品、策略和優(yōu)化是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。1一個(gè)終端客戶可能需要更多的模擬輸出通道，例如4 mA至20 mA，而另一個(gè)客戶則需要更多的數(shù)字輸入?；蛘撸豢蛻艨梢詾橐粋€(gè)平臺(tái)要求更多的模擬通道，而另一個(gè)平臺(tái)需要更多的數(shù)字通道。這種困境的示例如圖 1 所示。隨著工業(yè)4.0的興起，制造商需要靈活的系統(tǒng)，能夠快速輕松地適應(yīng)不斷變化的需求，所有這些都是由消費(fèi)者行為和需求的變化驅(qū)動(dòng)的。因此，他們不能再依賴為大眾市場(chǎng)產(chǎn)品和可預(yù)測(cè)需求而設(shè)計(jì)的固定、大規(guī)模系統(tǒng)。相反，需要靈活的系統(tǒng)，可以在最短的停機(jī)時(shí)間和資本投資下快速重新配置。

圖1.通道號(hào)和配置可能性。

SWIO元件使其通道不僅可以編程為輸入或輸出，還可以編程為模擬或數(shù)字。此外，它們可以有效地設(shè)置為讀取2線或3線RTD或熱電偶。

軟件可配置I/O還可以作為以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的橋梁，因?yàn)樗梢赃M(jìn)一步應(yīng)用于需要更新10BASE-T1L工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的棕地安裝。它支持開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、可配置的現(xiàn)場(chǎng)I/O單元，這些單元能夠在現(xiàn)有的HART支持的4 mA至20 mA傳感器和執(zhí)行器與10BASE-T1L或100米光纖回程之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。?

圖2所示為AD74413R，這是一款四通道SWIO器件，設(shè)計(jì)用于滿足過程控制、工廠自動(dòng)化或樓宇控制應(yīng)用（本文重點(diǎn)介紹工業(yè)應(yīng)用）。該器件是用于工業(yè)輸入和輸出操作的完全集成的單片解決方案。AD74413R內(nèi)置一個(gè)16位Σ-Δ∑型ADC和4個(gè)13位DAC，采用9 mm×9 mm、64引腳LFCSP封裝，支持–40°C至+105°C工作溫度范圍。四個(gè)通道中的每一個(gè)都通過SPI總線寫入配置寄存器進(jìn)行配置，SPI總線的時(shí)鐘最高可達(dá)24 MHz。 用戶可以通過AD74413R寄存器圖優(yōu)化每種工作模式的默認(rèn)配置。

圖2.軟件可配置I/O組件和典型應(yīng)用示例。

AD74413R的16位Σ-Δ型ADC可以通過單個(gè)轉(zhuǎn)換請(qǐng)求測(cè)量四個(gè)通道中的一個(gè)或多個(gè)通道以及多達(dá)四個(gè)診斷輸入上的電流或電壓。轉(zhuǎn)換速率高達(dá) 4.8 kSPS，并提供可選的 50 Hz 和 60 Hz 抑制濾波器。

每通道13位R串DAC本質(zhì)上是單調(diào)和線性的。這些DAC支持高達(dá)25 mA的電流輸出，并具有用于故障診斷的開路檢測(cè)功能。同樣，它們可以提供真正的0 V至11 V范圍的電壓輸出。

AD74413R具有高精度內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，可在成本敏感型應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)DAC和ADC，而當(dāng)需要最高性能時(shí)，可以使用外部基準(zhǔn)電壓源。

可能的功能和操作模式

每個(gè)通道的功能概述如表1所示。該組件可支持電壓輸出、電流輸出、電壓輸入、電流輸入（外部供電）、電流輸入（環(huán)路供電）、外部RTD測(cè)量、數(shù)字輸入邏輯和環(huán)路供電數(shù)字輸入。上電或器件復(fù)位后的默認(rèn)功能還有高阻抗模式。

在電流輸出模式下，DAC提供電流輸出（通常為0 mA至25 mA），通過檢測(cè)傳感器電阻（SENSEL_x和SENSEH_x引腳）上的差分電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了在存在低阻性負(fù)載的情況下降低芯片上的功耗，可以連接外部PMOS以傳遞0 mA至25 mA輸出電流。

電流輸入模式可支持外部供電和環(huán)路供電配置。16位Σ-Δ型ADC自動(dòng)測(cè)量流經(jīng)檢測(cè)電阻的電流。可濾波檢測(cè)引腳（SENSEHF_x和SENSELF_x）用于此目的。此外，兩種類型的電流輸入功能都具有額外的HART兼容模式，確保接收阻抗最小為230 Ω。2

電壓輸入模式通過其中一個(gè)濾波端口（SENSELF_x）和接地檢測(cè)測(cè)量ADC的電壓?？梢赃x擇針對(duì)浮動(dòng)電壓的附加下拉選項(xiàng)。在電壓輸入模式下，由于ADC中的專用范圍設(shè)置，也可以讀取熱電偶讀數(shù)。

電阻測(cè)量模式偏置外部2線RTD，電壓源自2.5 V偏置。使用上拉電阻偏置電壓，將確保精確的比率測(cè)量。低激勵(lì)電流使功耗降至最低，降低了RTD的自發(fā)熱。

數(shù)字輸入模式支持 IEC 61131-2 I、II 和 III 類設(shè)備。閾值可通過專用寄存器進(jìn)行編程。每個(gè)通道都有一個(gè)專用的通用輸出（GPO）和用戶可編程去抖動(dòng)濾波。

穩(wěn)健性和診斷性

由于工業(yè)環(huán)境的性質(zhì)，AD74413R設(shè)計(jì)為在嘈雜環(huán)境中具有魯棒性，可以承受接線錯(cuò)誤和浪涌事件等過壓情況。得益于片上線路保護(hù)器，當(dāng)連接到比AVDD引腳更高的電位時(shí)，螺絲端子不會(huì)將功率釋放到IC中。額外的TVS二極管可用于承受輸入/輸出端子上的高浪涌。此外，為了提高AD74413R的魯棒性，SPI接口內(nèi)置了循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。

多種診斷功能可確保AD74413R正常工作，并針對(duì)最常見的故障情況提供警告。片上診斷功能可以監(jiān)控電源電壓、基準(zhǔn)電壓源、芯片溫度（如警報(bào)或關(guān)斷）和螺絲端子。當(dāng)端子上連接的故障電壓高于AVDD或低于0 V時(shí)，最后一個(gè)因素的診斷有助于檢測(cè)接線錯(cuò)誤。外部檢測(cè)電阻器進(jìn)一步有助于診斷和正常工作。例如，它為電壓模式提供短路檢測(cè)，或者幫助調(diào)節(jié)電流輸出模式。用戶還可以選擇對(duì)自己的診斷程序進(jìn)行編程，以測(cè)試連接的傳感器/執(zhí)行器，因?yàn)锳D74113R可以強(qiáng)制電壓或電流，并從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備讀取電流或電壓響應(yīng)。

如果發(fā)生警報(bào)情況，則 ALERT 引腳將置位。ALERT_STATUS寄存器確定故障源。

配套解決方案

一個(gè)常見的應(yīng)用要求是I/O模塊或PLC具有微處理器隔離功能，或者它們?cè)诳偩€側(cè)具有電子控制單元。數(shù)據(jù)和電源都應(yīng)電隔離。出于這兩個(gè)目的，ADI公司為SWIO系列開發(fā)了專用的電源和數(shù)據(jù)隔離器。ADP1032是一款高性能隔離電源管理單元（PMU），內(nèi)置一個(gè)帶降壓穩(wěn)壓器和數(shù)據(jù)隔離通道的隔離式反激式。如圖 2 所示。

兩個(gè)穩(wěn)壓器相移，以實(shí)現(xiàn)極低的電磁干擾 （EMI）。電流模式反激式控制器可提供6 V至28 V電源。它具有欠壓鎖定 （UVLO）、過流/過壓保護(hù)、使能控制、軟啟動(dòng)和壓擺率控制。此外，它還具有七個(gè)低功耗數(shù)字隔離通道，其中四個(gè)用于SPI，三個(gè)用于通用通信。

I/O模塊的另一個(gè)典型需求是驅(qū)動(dòng)繼電器或燈。AD74413R具有GPO，也可編程為特殊數(shù)字輸出（DO）。該引腳采用外部PMOS和ADM1270限流控制器，可調(diào)節(jié)幾百毫安的電流，用于驅(qū)動(dòng)繼電器或燈。ADM1270為此類電感或電阻負(fù)載提供浪涌電流限制和過流保護(hù)。典型的應(yīng)用示例可在AD74413R的評(píng)估板上找到。

當(dāng)需要HART調(diào)制時(shí)，AD5700可以為基于AD74413R的系統(tǒng)提供調(diào)制解調(diào)器功能。

由于本文涵蓋工業(yè)應(yīng)用，因此我們主要討論AD74413R。還有一款更輕的版本，稱為AD74412R，面向樓宇控制應(yīng)用。它具有–40°C至+85°C的更低工作溫度范圍，電流輸入和輸出精度更寬松，電源電壓高達(dá)26.4 V。

圖3.AD7441xR的典型應(yīng)用電路，內(nèi)置ADP1032電源管理單元。

結(jié)論

借助合適的SWIO IC，制造商可以開發(fā)一個(gè)平臺(tái)，取代多個(gè)老化的固定功能I/O模塊。此外，他們可以在多個(gè)終端應(yīng)用中使用這項(xiàng)技術(shù)，在這些應(yīng)用中，I/O 會(huì)隨著每次安裝而動(dòng)態(tài)變化。對(duì)于傳統(tǒng)上依賴于具有多個(gè) I/O 模塊和每種通道類型指定接線的控制柜的系統(tǒng)，對(duì)硬件的需求消失了，因?yàn)樽罱K用戶現(xiàn)在可以安裝可從控制室編程的單個(gè)模塊，從而有助于降低產(chǎn)品管理、物流、制造和支持成本。SWIO技術(shù)還可以作為基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)的橋梁，因?yàn)樗梢詰?yīng)用于已經(jīng)可用的安裝。

審核編輯：郭婷