利用軟件可配置I/O應對工業4.0挑戰

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據解決方案，該解決方案有助于應對傳統模擬信號與工業以太網的橋接挑戰。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勢，包括系統穩健性和功耗。

引言

工業以太網的進步使得工廠的智能互聯制造成為可能。現場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模塊來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，并且需要手動將負載重新連接到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以太網域的無縫過渡。軟件可配置I/O器件可通過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，從而節省技術人員的時間和精力。圖1顯示了工業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支持無縫過渡。

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解決方案的一個范例。 AD74413R是一款四通道軟件可配置I/O，具備自動故障檢測和診斷功能。ADP1032專為AD74413R量身定制，提供隔離電源和數據通道，從而實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

?環路供電的電流輸入

?電流輸出

?數字輸入邏輯

?環路供電的數字輸入

?RTD測量

需要一組外部分立元件來支持四個通道中任何一個通道上的任何功能，從而提供充分的靈活性。如果執行器或傳感器接線錯誤，可利用單個SPI重新配置該通道。

在單個封裝中提供所有功能可減少硬件設計的元件需求，進而帶來如下好處：

?裝配和測試成本更低

?可靠性更高，調試更輕松

?簡化采購工作

?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

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，可用來中斷微控制器。然后，用戶可查詢警報寄存器以確定故障的確切原因。用戶還可以使能診斷信號以進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

?開路/短路錯誤

這些功能允許用戶遠程排除系統中發生的任何故障。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，擁擠的布線也可能導致難以確定哪些電纜連接到哪個傳感器或執行器，使得這些系統的重新接線成本高昂且耗時。AD74413R模塊提供可配置能力和診斷功能，可確定哪個傳感器或執行器連接到哪個特定通道。

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元件，如圖4所示。使用單獨的隔離器來提供電源和數據隔離。元件數量增加帶來了電路板面積較大的問題。

ADP1032解決方案

圖5顯示了由ADP1032供電的AD74413R的框圖。ADP1032有兩個隔離穩壓軌和七個數據隔離通道，這些全都在一個封裝中，可滿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，客戶可以提高其模塊中的整體通道密度。AD74413R的四個SPI信號使用ADP1032的高速隔離數據通道，這些通道經過優化，提供15 ns的低傳播延遲，支持高達16.6 MHz的SPI時鐘速率。在時序要求不那么嚴格的地方使用低速隔離數據通道，如、和信號。

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環境中保持穩健，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（針對瞬態事件）

?在接線錯誤的情況下，無法從螺絲端子向器件供電

SPI CRC和SCLK計數特性確保不會發生錯誤的SPI事務。此外，ADP1032為AD74413R的兩個正軌提供隔離電源，并隔離四個SPI信號和三個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作為一個完整系統進行測量和驗證，符合CISPR 11 B類電磁輻射騷擾水平，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景，確保每種模式都能正常運行。考慮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的使用場景，這意味著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，可以將整個系統視為一個黑盒，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靜態電流、數字通道隔離器的靜態電流以及AD74413R輸出路徑中的損耗（尤其是所需的裕量）。圖9顯示了AD74413R的所有四個通道配置為相同工作模式和相同負載特性時的系統功耗。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，但在四個通道以滿量程輸出工作時，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（所有四個通道配置相同），ADP1032輸入電源 = 24 V。

選擇ADP1032的輸入電源(VINP)時須謹慎。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，所有四個通道都驅動20 mA的最大輸出電流時。

圖10.在整個輸入電源電壓范圍內，ADP1032 VOUT1在不同輸出電壓下的最大輸出電流

結論

工廠的數字化帶來了產量、工廠利用率和勞動生產率的提高。然而，向數字化工廠的過渡并非易事，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，填補了支持以太網的現場儀器儀表的空白。AD74413R的四個通道非常靈活，每個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間。診斷功能還可用于監視系統以進行維護。最后，ADP1032對數據和電源進行電氣隔離，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4.0：打造數字化企業”。PwC，2016年。

Brendan O’Dowd。“10BASE-T1L：將大數據分析范圍擴大到工廠網絡邊緣”。ADI公司，2020年。

Maurice O’Brien和Volker E. Goller。“通過10BASE-T1L連接實現無縫現場以太網”。ADI公司，2021年。

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

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。

關于作者

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

Jefferson A. Eco目前在ADI菲律賓公司擔任應用開發工程師。他于2011年加入ADI公司。Jefferson目前擁有一項美國專利，并撰寫/合作撰寫了關于為GSPS ADC供電的開關穩壓器和了解鐵氧體磁珠等主題的技術文章。Jefferson專注于開發工業應用電源管理產品，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。他畢業于菲律賓納加市卡馬里內斯蘇爾職業技術學院，獲電子工程學士學位。

審核編輯：湯梓紅