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How Software Configurable Hardware Helps for Flexibility in Industrial I/O Modules 作者：ADI公司 Hakan Uenlue，高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師 不管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)品管理層需要決定每個(gè)產(chǎn)品使用多少個(gè)通道以及進(jìn)行哪些組合。電子設(shè)計(jì)人員必須決定如何對項(xiàng)目中的各種模擬或數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)出色性能以及成本高效的系統(tǒng)。所有不同的產(chǎn)品和大量接線圖可能使安裝技術(shù)人員心力交瘁。如果我們能夠設(shè)計(jì)出一種具有極高靈活性的系統(tǒng)來應(yīng)對這些難題，生活是不是會(huì)更輕松？ADI公司的新產(chǎn)品系列軟件可配置輸入/輸出(SWIO) IC可實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，它可隨時(shí)支持引腳上的幾乎任意功能和組合。 對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)用的要求不同。產(chǎn)品經(jīng)理要定義正確的產(chǎn)品、策略和優(yōu)化是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。1一個(gè)最終客戶可能需要更多模擬輸出通道，如4 mA至20 mA，而另一個(gè)最終客戶可能需要更多數(shù)字輸入。或者這個(gè)客戶的一個(gè)平臺需要更多模擬通道，而另一個(gè)平臺需要更多數(shù)字通道。這種困境的示例如圖1所示。隨著工業(yè)4.0的出現(xiàn)，消費(fèi)者的行為和需求也發(fā)生了變化，因此，制造商需要更靈活的系統(tǒng)來快速輕松地適應(yīng)不斷變化的要求。為此，制造商不能再依賴為大眾市場產(chǎn)品設(shè)計(jì)的固定的大規(guī)模系統(tǒng)和可預(yù)測的需求。相反，他們需要靈活的系統(tǒng)，此類系統(tǒng)支持快速重新配置，停機(jī)時(shí)間和資本投入也處于非常低的水平。 
圖1.通道數(shù)和配置可能性 SWIO組件不僅支持其通道作為輸入或輸出編程，而且支持作為模擬或數(shù)字編程。此外，還可對它們進(jìn)行高效設(shè)置，用于讀取2線或3線RTD或熱電偶。 由于軟件可配置I/O可進(jìn)一步用于需要更新至10BASE-T1L工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的棕地裝置，所以可將其用作為基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)之間的連接橋梁。它還支持開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的可配置現(xiàn)場I/O單元，此類單元能夠在現(xiàn)有支持HART®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顯示四通道SWIO器件AD74413R，該器件旨在滿足過程控制、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）。此器件是用于工業(yè)輸入和輸出操作的完全集成式整體解決方案。AD74413R具有一個(gè)16位、∑-Δ ADC和四個(gè)13位DAC，采用支持–40°C至+105°C工作溫度范圍的9 mm × 9 mm、64引腳LFCSP封裝。每個(gè)通道均采用通過時(shí)鐘高達(dá)24 MHz的SPI總線寫入配置寄存器的方式來配置。用戶可通過AD74413R寄存器圖改進(jìn)每個(gè)操作模式的默認(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 ADC可通過單個(gè)轉(zhuǎn)換請求測量四個(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50 Hz和60 Hz抑制濾波器。 每通道13位R-string DAC本質(zhì)上是單調(diào)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能力。同樣，也可提供真正0 V到11 V的電壓輸出。 AD74413R具有在價(jià)格敏感應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)DAC和ADC的高精度內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，然而需要高性能時(shí)，可使用外部基準(zhǔn)電壓源。 可能的功能和操作模式 每個(gè)通道的功能概述見表1。該組件可支持電壓輸出、電流輸出、電壓輸入、外部供電的電流輸入、環(huán)路供電的電流輸入、外部RTD測量、數(shù)字輸入邏輯和環(huán)路供電的數(shù)字輸入。上電或器件復(fù)位后，也有高阻抗模式作為默認(rèn)功能。 表1.可能的功能選擇
電壓輸出放大器可產(chǎn)生高達(dá)11 V的單極性電壓。內(nèi)部低電壓電荷泵允許放大器產(chǎn)生真零輸出電壓。在此模式下，外部檢測電阻提供電流反饋（加壓測流FVMI方法），通過SENSEL_x引腳的負(fù)反饋調(diào)節(jié)正確的電壓水平。 在電流輸出模式下，DAC提供的電流輸出（通常為0 mA至25 mA）通過檢測傳感器電阻（SENSEL_x和SENSEH_x引腳）上的差分電壓來調(diào)節(jié)。在低阻負(fù)載情況下，要降低裸片上的功耗，可連接一個(gè)外部PMOS以通過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 ADC通過檢測電阻自動(dòng)測量電流。可濾波檢測引腳（SENSEHF_x和SENSELF_x）用于此目的。此外，這兩種類型的電流輸入功能都有可確保最小230 Ω接收阻抗的額外HART兼容模式。2 電壓輸入模式通過其中一個(gè)濾波端口(SENSELF_x)和地感使用ADC測量電壓。可針對浮空電壓選擇額外下拉選項(xiàng)。在電壓輸入模式下，也可通過ADC中的專用范圍設(shè)置獲得熱電偶讀數(shù)。 電阻測量模式使用從2.5 V偏置電壓獲得的電壓對外部2線RTD進(jìn)行偏置。通過上拉電阻至偏置電壓，可確保精確的比率測量。低激勵(lì)電流可最大限度地降低功耗，從而減少RTD的自熱。 數(shù)字輸入模式支持IEC 61131-2 I型、II型和III型器件。閾值可通過專用寄存器編程。每個(gè)通道都有一個(gè)專用通用輸出(GPO)和用戶可編程防抖濾波。 穩(wěn)健性和診斷 由于工業(yè)環(huán)境的性質(zhì)，AD74413R設(shè)計(jì)為在嘈雜環(huán)境中功能穩(wěn)健，并能承受接線錯(cuò)誤和浪涌事件等過壓情況。由于片內(nèi)線路保護(hù)裝置，螺絲端子連接到比AVDD引腳更高的電位時(shí)不會(huì)將電源輸入IC。可使用額外的TVS二極管承受輸入/輸出端子上的高浪涌。此外，為了提高AD74413R的穩(wěn)健性，將循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)內(nèi)置在SPI接口中。
圖3.具有ADP1032電源管理單元的AD7441xR的典型應(yīng)用電路 多個(gè)診斷功能可確保AD74413R正常運(yùn)行，它們可針對大多數(shù)常見故障場景提供警告。片內(nèi)診斷功能可監(jiān)測電源電壓、基準(zhǔn)電壓、裸片溫度（報(bào)警或關(guān)斷）和螺絲端子。端子上連接的故障電壓高于AVDD或低于0 V時(shí)，對最后一個(gè)因素的診斷有助于進(jìn)行接線錯(cuò)誤檢測。外部檢測電阻可進(jìn)一步協(xié)助診斷以及正常操作。例如，它可以為電壓模式提供短路檢測，或幫助調(diào)節(jié)電流輸出模式。用戶也可以選擇編寫自己的診斷程序來測試連接的傳感器/執(zhí)行器，因?yàn)锳D74113R可以施加電壓或電流，并從現(xiàn)場設(shè)備讀取電流或電壓響應(yīng)。 如果發(fā)生報(bào)警情況，ALERT引腳將置位。ALERT_STATUS寄存器可確定故障來源。 配套解決方案 一個(gè)常見應(yīng)用請求是I/O模塊或PLC具有微處理器隔離功能或在總線側(cè)有電子控制單元。數(shù)據(jù)和電源都應(yīng)該是電氣分離的。為了這兩個(gè)目的，ADI公司為SWIO系列開發(fā)了專用電源和數(shù)據(jù)隔離器。ADP1032是高性能隔離式電源管理單元(PMU)，包括帶有降壓調(diào)節(jié)器和數(shù)據(jù)隔離通道的隔離式反激穩(wěn)壓器。如圖2所示。 兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行相移以應(yīng)對極低的電磁干擾(EMI)。電流模式反激控制器可提供6 V至28 V電壓。它具有欠壓閉鎖(UVLO)、過流/過壓保護(hù)、使能控制、軟啟動(dòng)和壓擺率控制。此外，它還有7個(gè)低功率數(shù)字隔離通道——4個(gè)用于SPI，3個(gè)用于通用通信。 I/O模塊中的另一個(gè)典型需求是驅(qū)動(dòng)繼電器或燈。AD74413R的GPO也可能編程為特殊數(shù)字輸出(DO)。通過外部PMOS和ADM1270限流控制器，此引腳可調(diào)節(jié)幾百毫安用于驅(qū)動(dòng)繼電器或燈。ADM1270為這些感性或電阻負(fù)載提供浪涌限流和過流保護(hù)。在AD74413R的評估板上可找到典型應(yīng)用示例。 需要HART調(diào)制時(shí)，AD5700可為基于AD74413R的系統(tǒng)提供調(diào)制解調(diào)器功能。 由于本文的范圍涉及工業(yè)應(yīng)用，我們主要討論AD74413R。還有一個(gè)更輕的版本為AD74412R，目標(biāo)是構(gòu)建控制應(yīng)用。它具有–40°C至+85°C的更小工作溫度范圍、更低的電流輸入和輸出精度以及高達(dá)26.4 V的電源電壓。 結(jié)論 借助正確的SWIO IC，制造商可開發(fā)一個(gè)平臺來代替多個(gè)陳舊的固定功能I/O模塊。他們也可將該技術(shù)用于I/O隨著每次安裝而動(dòng)態(tài)變化的多個(gè)最終應(yīng)用中。對于傳統(tǒng)上依賴帶多個(gè)I/O模塊的控制柜且每個(gè)通道類型需采用指定布線的系統(tǒng)，由于最終用戶現(xiàn)在可以安裝可在控制室編程的單個(gè)模塊，硬件的需求隨之消失，從而有助于降低產(chǎn)品管理、物流、制造和支持成本。由于SWIO技術(shù)可應(yīng)用于已經(jīng)可用的裝置，所以也可作為基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)之間的連接橋梁。 參考資料 1 Bela G. Liptak.儀器儀表工程師手冊，第II卷：過程控制和優(yōu)化。CRC出版社，2005年9月。 2 HART通信協(xié)議。國際現(xiàn)場通信技術(shù)基金會(huì)。 作者簡介 Hakan Uenlue是ADI公司高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師。他擁有斯圖加特大學(xué)電氣和電子工程碩士學(xué)位。他于2015年加入ADI公司，在此之前曾擔(dān)任硬件開發(fā)人員和現(xiàn)場應(yīng)用工程師。聯(lián)系方式：hakan.uenlue@analog.com。 |
