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作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 高級應用工程師 許多商業(yè)和工業(yè)應用都面臨一個難題，即如何通過接口將低壓微控制器及數字信號處理器 (DSP) 連接至高壓傳感器開關和其他數字、高壓電路。大多數情況下，需要通過這些接口獲取二進制（1/0，或者高/低）狀態(tài)信息形式的反饋。 新一代的接口器件，被稱作數字輸入串行器 (DIS)，其在連接低功耗微控制器的同時能夠以最高能效方式對數字輸入電壓進行檢測，檢測范圍最低可達 6Vdc，最高可達300 Vdc。 本文將介紹數字輸入串行器的工作原理及其低、中、高壓輸入信號的配置情況。 工作原理 為了更好地理解 DIS 的工作原理，我們以完整的接口設計為背景來對這種器件進行研究（請參見圖 1）。一般而言，高壓總線為一組傳感器開關即 S0 – S7 供電，其開/關狀態(tài)由器件的八個現場輸入即 IP0 – IP7 來檢測。內部信號處理將輸入信號轉換為低伏電平，并將其應用于并行輸入、串行輸出移位寄存器的輸入。由于微控制器的負載脈沖作用于 /LD 輸入，因此內部輸入數據被鎖閉到移位寄存器中。微控制器向 CLK 輸入施加一個時鐘信號，根據該信號以串行方式將數據從 DIS 中移位，然后通過數字隔離器進入一個控制器寄存器，這樣便完成了移位寄存器內容的讀取。 高壓接口要求使用數字隔離器，目的是將劇烈變化的遠距離傳感器開關接地電位，同控制器電子器件的局部接地電隔離。 
圖 1 數字輸入串行器的典型結構 適用于高伏接口的一些傳感器開關包括接近開關、繼電器觸點、限位開關、按鈕開關等等。就高輸入電壓而言，輸入電阻器 RIN0 到 RIN7 的實施對于將輸入開關閾值升至更高電平來說是必要的，而低輸入電壓的系統(tǒng)一般無需輸入電阻器。 圖 1 表明高達 34V 的電源電壓可以直接作用于電源接線端和八個輸入端，無需保護電阻器。在使用這種電源電壓的情況下，內部線性穩(wěn)壓器可以提供穩(wěn)定的 5V 輸出，以為器件內部電路和外部隔離器或者微控制器供電。另一個輔助功能是片上溫度傳感器，其在結溫達到 150oC 時便向控制器發(fā)出報警。 通過可調節(jié)輸入電流限制，讓在器件輸入端直接使用高達 34V 的高壓成為可能。就純電阻輸入的高壓接口而言，由于輸入電流增加帶來輸入電壓上升，從而導致其功耗急劇上升。與之相比，由于將輸入電流限制在某個恒定電平，而這一電平可以通過使用一個外部精密電阻器來進行調節(jié)，因此 DIS 的輸入極大地降低了功耗。 另外，每條通道都對其輸入信號進行強度和耐力檢查。這種電流、電壓檢測功能具有一些內部信號閾值，用于確保通道不會被漏電流或者殘留電壓觸發(fā)。 在導通狀態(tài)（開關關閉）的情況下，電流比較器檢測輸入電流是否高于預定義的漏電流閾值，而電壓比較器則檢測輸入電壓是否高于內部設定的基準電壓。如果兩個比較器輸出均為邏輯高電平，則可編程去抖動濾波器檢查輸入狀態(tài)的新變化是否由噪聲瞬態(tài)或者真輸入信號所引起。 導通狀態(tài)時，濾波器輸出為高電平，同時電流限制器輸出連接至信號返回輸出(Rex)。每個 RE-輸出均有一個發(fā)光二極管 (LED) 連接接地層，從而實現傳感器開關狀態(tài)的可視化指示。因此，如果某個開關關閉，則 LED 亮起。在斷開狀態(tài)（開關打開）下，濾波器輸出為低電平，同時電流限制器的輸出接地，則 LED 不亮。 輸入配置 針對某種應用對數字輸入串行器進行配置時，只有兩個重要的參數，即輸入電流限制 IIN-LIM 和導通閾值 VIN-ON。這兩個參數均通過外部電阻器 RLIM 以及 RIN0 到 RIN7 來進行調節(jié)。盡管 RLIM 定義所有八條輸入通道的電流限制，但也可以通過使用不同的 RIN 值，來單獨設定每條通道的導通閾值。 電流限制器內部實現比較器功能，其閾值電流 ITH 與最大輸入電流 IIN-LIM 完全相同。利用一個反射系數為 n = 72 的電流鏡，通過基準電流 IREF 推導出 ITH。由于 IIN-LIM 與 ITH 相同，因此最大輸入電流可以表示為：
IREF 反過來又由內部 1.25V 帶隙基準與外部電阻器 RLIM 的比計算得到：
將方程式 2 插入到方程式 1 中，得到 IIN-LIM 為 RLIM 的函數：
求解方程式 3 得到 RLIM，即設置理想電流限制所需的電阻器值：
現場輸入導通閾值電壓 VIN-ON，與電流限制、輸入電阻器以及器件輸入的導通閾值電壓 VIP-ON 有關。VIP-ON 等于內部電壓檢測比較器的固定 5.2V 基準電壓。因此，VIP-ON 可以表示為：
插入 VIP-ON 的數值，然后代入方程式 3 的 IIN-LIM 計算結果，得到：
然后求解 RIN，得到設置規(guī)定電流限制條件下理想導通閾值所要求的輸入電阻器值：
因此，針對各種應用對 DIS 進行完全配置只需要兩個方程式，即方程式 3 用于設置電流限制，而方程式 7 用于達到理想導通閾值電壓。根據這兩個方程式，表 1 列出了不同輸入閾值電壓和電流限制的各種電阻器組合情況。 表 1 各種輸入配置
表 1 中的星號表示非常高的輸入電壓會超出最大器件電壓 34V。這種情況下，IPx 和接地之間連接的 30V 齊納二極管可防止器件輸入毀壞。將開關閾值設定在輸入電壓范圍的中間，即 VIN-ON = VIN-max/2，這時最大齊納電流將等于輸入電流限制，即 IZ-max = IIN-LIM，同時總輸入電流將為電流限制的兩倍。 若想節(jié)能，需將電流限制設定為 0.5mA。很明顯，在這種低輸入電流情況下，將指示器 LED 連接至 Rex 輸出沒有意義，因為其不會亮起。相反，我們應該將它們放置在 CMOS 輸出可以很容易地實現 LED 驅動功能的控制器端。 串行接口 圖 1 表明對于高達 24V 標稱值、或者 34V 最大值的總線電源來說，數字輸入串行器可以將總線電壓調低到 5V，以為數字隔離器或者微控制器提供充足的電源。但是，在高壓條件下，在DIS之前調低總線電源電壓，會極大地降低總功效。在非隔離應用中，使用一個微型充電泵，并通過控制器電源為 DIS 提供備用電源，這樣做更利于提高能效。但是，在隔離式應用中，要求一個隔離式 DC-DC 轉換器來穿過隔離層提供控制器電源。 實施電氣隔離的原因是，數字輸入串行器一般用于檢測遠距離安裝傳感器和信號源的輸出電壓，例如：AC 整流器的輸出，其接地電位明顯不同于本地控制器接地。將各種接地電位相互連接會引起大量接地環(huán)路電流流動。使用數字隔離器可以防止出現這種情況。 如前所述，DIS 數字接口的控制很容易實施。系統(tǒng)控制器只需通過其通用輸出端之一，向 DIS 的/LD 輸入端發(fā)送一個短且低活躍度的負載脈沖，旨在將當前的現場輸入狀態(tài)鎖存至 DIS 移位寄存器中。之后，它向 CLK 線路施加一個時鐘信號，以串行方式移出寄存器內容。 如圖 2 所示，DIS 的移位寄存器結構通過簡單地將前面器件的串行輸出 SOP 連接至后面器件的串行輸入 SIP，實現以菊花鏈方式連接多個器件。這種方法允許進行高通道數目的緊湊型數字輸入模塊設計，同時其僅使用了一個串行接口。 一次讀取多個 DIS 器件的內容時，較短的讀取周期時間便為基本要求，而標準微控制器 SPI 接口的最大速度已經可以達到 10 MHz 或者 20 Mbps。但是，DIS 的串行接口可以支持高達 300 Mbps的數據速率，其甚至超出了一些高速隔離器的數據速率。因此，若想將讀取周期時間縮短至絕對最小值，便要求極高的時鐘頻率，同時還必須消除隔離器的傳播延遲。 正因如此，微控制器常常被現場可編程門陣列 (FPGA) 所取代，因為它不僅僅具有高時鐘頻率，而且還允許實現接收時鐘輸入（如圖 2 藍色線條所示）。然后，由 FPGA 發(fā)送的相同時鐘信號，經過隔離器延遲，開始將寄存器內容移出 DIS，同時與 SOP 信號一起通過另一個隔離器通道獲得反饋，從而保持接收時鐘和數據之間的相位關系。
圖 2 隔離 32-通道數字輸入模塊 結論 數字輸入串行器是低功耗控制器與高 DC 電壓接口連接的最通用解決方案。SN65HVS88x 系列數字輸入串行器支持低壓控制器和高壓應用之間的接口設計，擁有各種各樣的特性，例如：欠壓檢測、電流限制、去抖動濾波、散熱保護、奇偶發(fā)生以及單 5V 電源等。 參考文章 《數字輸入串行器提升了高通道密度輸入模塊性能》，作者：Kugelstadt, Thomas，TI，發(fā)表于 2008 年 6 月刊《工業(yè)控制設計》。 2008 年 12 月，TI《SN65HVS880 用戶指南》。 作者簡介 Thomas Kugelstadt 現任 TI 高級系統(tǒng)工程師，主要負責定義新型高性能模擬產品以及探測和調節(jié)工業(yè)系統(tǒng)中低電平模擬信號完整系統(tǒng)解決方案的開發(fā)工作。在 TI 工作的 20 年間，他曾被派往歐洲、亞洲以及美國擔任過各種國際應用職位。 Thomas 畢業(yè)于法蘭克福應用技術大學 (Frankfurt University of Applied Science)，一畢業(yè)就成為一名見習工程師 (Graduate Engineer)。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
