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)用隔離電源和數據解決方案，該解決方案有助于應對傳統模擬信號與工業(yè)以太網(wǎng)的橋接挑戰。本文闡明了軟件可配置I/O器件固有的通道靈活性、故障檢測和診斷功能方面的優(yōu)勢。本文還給出了系統級評估結果，展示了系統解決方案的整體優(yōu)勢，包括系統穩健性和功耗。

引言

工業(yè)以太網(wǎng)的進(jìn)步使得工廠(chǎng)的智能互聯(lián)制造成為可能?，F場(chǎng)儀器儀表必須使用傳統模擬信號（即4至20 mA、0 V至10 V）連接到以太網(wǎng)域。這對固定功能的I/O模塊提出了挑戰。系統設計人員需要設計多個(gè)模塊來(lái)覆蓋不同的傳感器和執行器。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系統中的所有通道。擁擠的布線(xiàn)可能導致傳感器和執行器與這些固定功能I/O的連接不正確。調試和排除這些故障非常耗時(shí)，并且需要手動(dòng)將負載重新連接到I/O通道。

軟件可配置I/O系統提供從傳統模擬信號到工業(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)遠程配置在任意通道上提供任意功能（模擬I/O、數字I/O、RTD），有助于簡(jiǎn)化調試。這種靈活性與診斷功能相結合，支持遠程故障排除，從而節省技術(shù)人員的時(shí)間和精力。圖1顯示了工業(yè)連接從傳統模擬信號到智能數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)的結合，是穩健的軟件可配置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)故障檢測和診斷功能。ADP1032專(zhuān)為AD74413R量身定制，提供隔離電源和數據通道，從而實(shí)現緊湊型隔離式軟件可配置I/O系統。

通道靈活性

對于I/O要求各異的不同工業(yè)應用，系統設計人員需要一種支持快速配置以適應需求的靈活系統。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

?                數字輸入邏輯

?                環(huán)路供電的數字輸入

?                RTD測量

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。如果執行器或傳感器接線(xiàn)錯誤，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計的元件需求，進(jìn)而帶來(lái)如下好處： 

?                裝配和測試成本更低

?                可靠性更高，調試更輕松

?                簡(jiǎn)化采購工作

?                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

故障檢測和診斷功能

AD74413R具備自動(dòng)故障檢測和多種診斷功能，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以進(jìn)一步診斷所識別的故障。 

圖3.軟件可配置I/O故障檢測

圖4.AD74413R分立電源解決方案框圖

AD74413R可檢測到如下故障：

?                復位

?                校準存儲器錯誤

?                SPI CRC錯誤

?                ADC錯誤

?                電源錯誤

?                溫度錯誤

?                開(kāi)路/短路錯誤 

這些功能允許用戶(hù)遠程排除系統中發(fā)生的任何故障。在現有許多系統中，傳感器和執行器可能位于遠離控制室的潛在危險區域。此外，擁擠的布線(xiàn)也可能導致難以確定哪些電纜連接到哪個(gè)傳感器或執行器，使得這些系統的重新接線(xiàn)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)傳感器或執行器連接到哪個(gè)特定通道。

隔離電源和數據解決方案

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。使用單獨的隔離器來(lái)提供電源和數據隔離。元件數量增加帶來(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)隔離穩壓軌和七個(gè)數據隔離通道，這些全都在一個(gè)封裝中，可滿(mǎn)足隔離電源和數據通道的要求。與分立式電源和數據隔離解決方案相比，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信號使用ADP1032的高速隔離數據通道，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16.6 MHz的SPI時(shí)鐘速率。在時(shí)序要求不那么嚴格的地方使用低速隔離數據通道，如信號。 

圖5.由ADP1032供電的AD74413R框圖

系統可靠性

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

?    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（針對瞬態(tài)事件）

?    在接線(xiàn)錯誤的情況下，無(wú)法從螺絲端子向器件供電

SPI CRC和SCLK計數特性確保不會(huì )發(fā)生錯誤的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信號和三個(gè)GPIO信號的數據。對于2級污染，ADP1032提供高達300 V的基本隔離。ADP1032的電源和數據通道的電氣隔離保護系統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系統的穩健性

ADP1032和AD74413R作為一個(gè)完整系統進(jìn)行測量和驗證，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

靈活的多通道系統要求權衡系統功耗，因為AD74413R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。設計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行?？紤]AD74413R處于電流輸出模式、負載電阻為600 Ω、輸入電流范圍高達20 mA的使用場(chǎng)景，這意味著(zhù)螺絲端子上的最大輸出電壓為12 V。根據AD74413R數據手冊，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AD74413R在電流輸出模式下所需的最小AVDD電源電壓。對于其他輸入和輸出模式，應進(jìn)行相同的AVDD電源電壓計算，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

為了計算ADP1032 + AD74413R的系統功耗，可以將整個(gè)系統視為一個(gè)黑盒，然后從提供給系統的輸入功率(PIN)中減去提供給負載的輸出功率(POUT)即可，如圖8所示。系統功耗包括ADP1032電源轉換的損耗、AD74413R靜態(tài)電流、數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載特性時(shí)的系統功耗。在本例中，為AD74413R AVDD供電的ADP1032 VOUT1輸出設置為16.6 V，假設支持所有不同工作模式以及預定義的負載和輸入輸出條件。ADP1032的輸入電源為24 V。電流輸出模式的系統功耗更差，但在四個(gè)通道以滿(mǎn)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載的影響很大。 

圖9.AD74413R + ADP1032系統針對不同工作模式和負載的功耗（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，ADP1032對于各種VOUT1設置的最大輸出電流。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，ADP1032 V_OUT1在不同輸出電壓下的最大輸出電流

結論

工廠(chǎng)的數字化帶來(lái)了產(chǎn)量、工廠(chǎng)利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。然而，向數字化工廠(chǎng)的過(guò)渡并非易事，因為傳統系統缺乏支持10BASE-T1L的傳感器和執行器。AD74413R軟件可配置I/O與ADP1032相結合，填補了支持以太網(wǎng)的現場(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。其故障檢測和診斷功能可節省排錯和系統調試的時(shí)間。診斷功能還可用于監視系統以進(jìn)行維護。最后，ADP1032對數據和電源進(jìn)行電氣隔離，確保電源和數據安全高效傳輸。

參考資料

Barry Misthal、Reinhard Geissbauer、Jesper Vedso和Stefan Schrauf。“工業(yè)4.0：打造數字化企業(yè)”。PwC，2016年。

Brendan O’Dowd。“10BASE-T1L：將大數據分析范圍擴大到工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )邊緣”。ADI公司，2020年。

Maurice O’Brien和Volker E. Goller。“通過(guò)10BASE-T1L連接實(shí)現無(wú)縫現場(chǎng)以太網(wǎng)”。ADI公司，2021年。

Hakan Uenlue。“軟件可配置硬件如何幫助實(shí)現工業(yè)I/O模塊的靈活性”。ADI公司，2021年。

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Bien Verlito A. Javier目前在ADI菲律賓公司擔任產(chǎn)品應用工程師。他于2011年9月加入ADI，曾擔任過(guò)產(chǎn)品工程、設計評估和產(chǎn)品應用等領(lǐng)域的工程職位。他畢業(yè)于菲律賓理工大學(xué)（馬拉貢頓校區），獲電子工程學(xué)士學(xué)位。 

Jefferson A. Eco目前在ADI菲律賓公司擔任應用開(kāi)發(fā)工程師。他于2011年加入ADI公司。Jefferson目前擁有一項美國專(zhuān)利，并撰寫(xiě)/合作撰寫(xiě)了關(guān)于為GSPS ADC供電的開(kāi)關(guān)穩壓器和了解鐵氧體磁珠等主題的技術(shù)文章。Jefferson專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)工業(yè)應用電源管理產(chǎn)品，以及采用不同拓撲結構的通用DC/DC轉換器，例如反激式、降壓、反相降壓-升壓和LDO穩壓器。他畢業(yè)于菲律賓納加市卡馬里內斯蘇爾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。