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工業(yè)以太網(wǎng)的進(jìn)步使工廠中的智能互聯(lián)制造成為可能。現(xiàn)場儀器必須使用傳統(tǒng)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(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計人員需要設(shè)計多個模塊來覆蓋不同的傳感器和執(zhí)行器。但是，固定功能模塊中的某些通道可能未使用并過剩。軟件可配置的 I/O 模塊允許有效使用 I/O 系統(tǒng)中的所有通道。擁擠的布線可能會導(dǎo)致傳感器和執(zhí)行器與這些固定功能 I/O 的連接不正確。調(diào)試和修復(fù)這些故障非常耗時，并且需要手動將負(fù)載重新連接到 I/O 通道。
軟件可配置 I/O 系統(tǒng)提供從傳統(tǒng)模擬信號到工業(yè)以太網(wǎng)域的無縫過渡。軟件可配置的 I/O 設(shè)備可以通過遠(yuǎn)程配置在任何通道上提供任何功能（模擬 I/O、數(shù)字 I/O、RTD），這有助于簡化調(diào)試。這種靈活性與診斷功能相結(jié)合，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程故障排除，從而為技術(shù)人員節(jié)省時間和精力。圖 1 顯示了工業(yè)連接從傳統(tǒng)模擬信號到智能數(shù)字連接傳感器的演變，軟件可配置 I/O 實現(xiàn)了無縫過渡。
Analog Devices 的AD74413R軟件可配置 I/O 與ADP1032雙通道隔離式微功率管理單元 (μPMU) 相結(jié)合，是強大的軟件可配置 I/O 解決方案的一個示例。AD74413R 是一款四通道軟件可配置 I/O，配備自動故障檢測和診斷功能。ADP1032 專為 AD74413R 量身定制，可提供隔離式電源和數(shù)據(jù)通道，從而實現(xiàn)緊湊型隔離式軟件可配置 I/O 系統(tǒng)。
渠道靈活性
對于具有不同 I/O 要求的各種工業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計人員需要一個可以快速配置以適應(yīng)需求的靈活系統(tǒng)。AD74413R 的四個通道可配置為各種輸入和輸出模式，例如：
高阻抗
電壓輸入
電壓輸出
回路供電電流輸入
電流輸出
數(shù)字輸入邏輯
回路供電數(shù)字輸入
熱電阻測量
需要一組外部分立元件來支持四個通道中的任何一個上的任何功能，從而提供充分的靈活性。如果執(zhí)行器或傳感器接線錯誤，則可以使用單個 SPI 重新配置通道。
在單個封裝中提供所有功能需要的硬件設(shè)計組件更少，這會導(dǎo)致：
降低組裝和測試成本
更高的可靠性和更容易的調(diào)試
簡化采購
與通用 I/O 的離散實現(xiàn)相比，通道密度更高
圖 1：將傳統(tǒng)設(shè)備橋接到以太網(wǎng)的軟件可配置 I/O（來源：Analog Devices, Inc.）
圖 2顯示了支持 AD74413R 的所有功能所需的外部組件，無論連接的負(fù)載如何。
圖 2：AD74413R 以及所有功能所需的外部組件（來源：Analog Devices, Inc.）
故障檢測和診斷能力
AD74413R 配備自動故障檢測和不同的診斷功能，有助于故障隔離。ALERT 引腳被置位，可用于在故障條件下中斷微控制器。然后用戶可以查詢警報寄存器以確定故障的確切原因。用戶還可以啟用診斷信號以進(jìn)一步診斷已識別的故障。
圖 3：軟件可配置 I/O 故障檢測（來源：Analog Devices, Inc.）
圖 4：AD74413R 分立電源解決方案框圖（來源：Analog Devices, Inc.）
以下是 AD74413R 可以檢測到的故障：
重置
校準(zhǔn)內(nèi)存錯誤
SPI CRC 錯誤
ADC 錯誤
電源錯誤
溫度誤差
開路/短路錯誤
這些功能允許用戶遠(yuǎn)程排除系統(tǒng)中發(fā)生的任何故障。在許多現(xiàn)有系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器可能位于遠(yuǎn)離控制室和潛在危險區(qū)域的位置。此外，擁擠的布線也可能導(dǎo)致難以確定哪些電纜連接到哪個傳感器或執(zhí)行器，從而使這些系統(tǒng)的物理重新布線成本高昂且耗時。AD74413R 模塊提供可配置性和診斷功能，以確定哪個傳感器或執(zhí)行器連接到特定通道。
隔離電源和數(shù)據(jù)解決方案
離散實現(xiàn)
AD74413R 的分立隔離式電源解決方案需要多個組件，如圖 4所示。單獨的隔離器用于提供電源和數(shù)據(jù)隔離。由于元件數(shù)量的增加，這產(chǎn)生了具有大板面積的問題。
ADP1032解決方案
圖 5顯示了由 ADP1032 供電的 AD74413R 的框圖。ADP1032 在一個封裝中集成了兩個隔離穩(wěn)壓軌和七個數(shù)據(jù)隔離通道，從而滿足了隔離電源和數(shù)據(jù)通道的要求。與具有分立電源和數(shù)據(jù)隔離解決方案相比，這提供了約 3 倍的電路板面積減少。這允許客戶增加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(shù)據(jù)通道，這些通道針對 15 ns 的低傳播延遲進(jìn)行了優(yōu)化，支持高達(dá) 16.6 MHz 的 SPI 時鐘速率。低速隔離數(shù)據(jù)通道用于時序不重要的地方，例如 LDAC、RESET 和 ALERT 信號。
圖 5：由 ADP1032 供電的 AD74413R 框圖（來源：Analog Devices, Inc.）
系統(tǒng)穩(wěn)健性
AD74413R 系統(tǒng)解決方案旨在在惡劣的工業(yè)環(huán)境中保持穩(wěn)健，并提供以下保護(hù)功能：
面向螺釘端子的引腳可承受 ±50 VDC 及更高的電壓（用于瞬態(tài)事件）
在接線錯誤事件中，無法從螺釘端子向設(shè)備供電
SPI CRC 和 SCLK 計數(shù)功能確保不會發(fā)生錯誤的 SPI 事務(wù)。此外，ADP1032 為 AD74413R 的兩個正軌提供隔離電源，隔離四個 SPI 信號和三個 GPIO 信號的數(shù)據(jù)。ADP1032 的基本隔離電壓高達(dá) 300 V，污染等級為 2。ADP1032 的電源和數(shù)據(jù)通道中的電流隔離可保護(hù)系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，降低接地回路的噪聲，并創(chuàng)造人身安全。
圖 6：ADP1032 + AD74413R 軟件可配置 I/O 系統(tǒng)穩(wěn)健性（來源：Analog Devices, Inc.）
ADP1032 和 AD74413R 作為一個完整的系統(tǒng)進(jìn)行測量和驗證，符合 CISPR 11 B 類輻射發(fā)射水平，余量大于 6dB，如圖 7所示。
圖 7：AD74413R + ADP1032 輻射發(fā)射通過 CISPR B 類（來源：Analog Devices, Inc.）
功耗
擁有靈活的多通道系統(tǒng)會在系統(tǒng)功耗方面進(jìn)行權(quán)衡，因為 AD74413R 的軟件可配置 I/O 的每個通道都可以配置為各種模式，而 AD74413R 的電源則保持單一輸出電壓。設(shè)計人員必須選擇最高的 AD74413R AVDD 電源電壓，以便它能夠支持最壞情況，同時考慮所需的電壓裕量和負(fù)載特性，以確保每種模式的正常運行。
考慮 AD74413R 處于電流輸出模式、負(fù)載電阻為 600 Ω、輸入電流范圍高達(dá) 20 mA 的用例。這意味著螺釘端子上的最大輸出電壓為 12 V。根據(jù) AD74413R 數(shù)據(jù)表，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。對于其他輸入和輸出模式，應(yīng)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 黑盒插圖（來源：Analog Devices, Inc.）
ADP1032 + AD74413R 的系統(tǒng)功耗可以通過將整個系統(tǒng)視為一個黑匣子來計算，只需從提供給系統(tǒng)的輸入功率 (PIN) 中減去提供給負(fù)載的輸出功率 (POUT)，如圖 8所示。系統(tǒng)功耗將包括 ADP1032 電源轉(zhuǎn)換的損耗、AD74413R 靜態(tài)電流、數(shù)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 的所有四個通道配置為相同的工作模式和相同的負(fù)載特性時的系統(tǒng)功耗。在本示例中，為 AD74413R AVDD 供電的 ADP1032 VOUT1 輸出設(shè)置為 16.6 V，假設(shè)支持具有預(yù)定義負(fù)載以及輸入和輸出條件的所有不同工作模式。ADP1032 的輸入電源為 24 V。電流輸出模式下的系統(tǒng)功耗更差，對于滿量程輸出工作的四個通道，其功耗仍低于 1 W，如圖 9所示。功耗受 AD74413R 的輸入和輸出電平以及負(fù)載的影響很大。
圖 9：不同工作模式和負(fù)載的 AD74413R + ADP1032 系統(tǒng)功耗（所有四個通道配置相同），ADP1032 輸入電源 = 24 V（來源：Analog Devices, Inc.）
選擇 ADP1032 (VINP) 的輸入電源時必須小心。ADP1032 VINP 的選擇將決定提供給 AD74413R 的 ADP1032 的最大輸出電流。圖 10顯示了 ADP1032 在整個 VINP 范圍內(nèi)的各種 VOUT1 設(shè)置的最大輸出電流。為 ADP1032 選擇的輸入電源必須能夠在最壞情況下支持 AD74413R 的電流需求，例如在輸出電流模式的情況下，所有四個通道都在驅(qū)動 20 mA 的最大輸出電流。
圖 10：ADP1032 VOUT1 在輸入電源電壓范圍內(nèi)的各種輸出電壓下的最大輸出電流（來源：Analog Devices, Inc.）
結(jié)論
工廠的數(shù)字化帶來了產(chǎn)量、工廠利用率和勞動生產(chǎn)率的提高。然而，向數(shù)字工廠的過渡是一項挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)系統(tǒng)缺乏支持 10BASE-T1L 的傳感器和執(zhí)行器。AD74413R 軟件可配置 I/O 與 ADP1032 相結(jié)合，填補了支持以太網(wǎng)的現(xiàn)場儀器的空白。
AD74413R 的四個通道非常靈活，每個通道都可以編程為八個 I/O 配置。它的故障檢測和診斷功能可以節(jié)省系統(tǒng)調(diào)試和調(diào)試期間的時間。診斷功能還可用于監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。最后，ADP1032 對數(shù)據(jù)和電源進(jìn)行電隔離，確保電源和數(shù)據(jù)的安全高效傳輸。
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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