利用軟件可配置I/O應(yīng)對(duì)工業(yè)4.0挑戰(zhàn)

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(shù)據(jù)解決方案，該解決方案有助于應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)模擬信號(hào)與工業(yè)以太網(wǎng)的橋接挑戰(zhàn)。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(cè)和診斷功能方面的優(yōu)勢(shì)。本文還給出了系統(tǒng)級(jí)評(píng)估結(jié)果，展示了系統(tǒng)解決方案的整體優(yōu)勢(shì)，包括系統(tǒng)穩(wěn)健性和功耗。

引言

工業(yè)以太網(wǎng)的進(jìn)步使得工廠的智能互聯(lián)制造成為可能。現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表必須使用傳統(tǒng)模擬信號(hào)（即4至20 mA、0 V至10 V）連接到以太網(wǎng)域。這對(duì)固定功能的I/O模塊提出了挑戰(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)多個(gè)模塊來(lái)覆蓋不同的傳感器和執(zhí)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(tǒng)中的所有通道。擁擠的布線可能導(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)試和排除這些故障非常耗時(shí)，并且需要手動(dòng)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(hào)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(yuǎn)程配置在任意通道上提供任意功能（模擬I/O、數(shù)字I/O、RTD），有助于簡(jiǎn)化調(diào)試。這種靈活性與診斷功能相結(jié)合，支持遠(yuǎn)程故障排除，從而節(jié)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(tǒng)模擬信號(hào)到智能數(shù)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(jié)合，是穩(wěn)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(cè)和診斷功能。ADP1032專為AD74413R量身定制，提供隔離電源和數(shù)據(jù)通道，從而實(shí)現(xiàn)緊湊型隔離式軟件可配置I/O系統(tǒng)。

通道靈活性

對(duì)于I/O要求各異的不同工業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一種支持快速配置以適應(yīng)需求的靈活系統(tǒng)。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(shù)字輸入邏輯

?環(huán)路供電的數(shù)字輸入

?RTD測(cè)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(zhí)行器或傳感器接線錯(cuò)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(shè)計(jì)的元件需求，進(jìn)而帶來(lái)如下好處：

?裝配和測(cè)試成本更低

?可靠性更高，調(diào)試更輕松

?簡(jiǎn)化采購(gòu)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(tǒng)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(fù)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(cè)和診斷功能

AD74413R具備自動(dòng)故障檢測(cè)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，用戶可查詢警報(bào)寄存器以確定故障的確切原因。用戶還可以使能診斷信號(hào)以進(jìn)一步診斷所識(shí)別的故障。

圖3.軟件可配置I/O故障檢測(cè)

圖4.AD74413R分立電源解決方案框圖

AD74413R可檢測(cè)到如下故障：

?復(fù)位

?校準(zhǔn)存儲(chǔ)器錯(cuò)誤

?SPI CRC錯(cuò)誤

?ADC錯(cuò)誤

?電源錯(cuò)誤

?溫度錯(cuò)誤

?開路/短路錯(cuò)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。在現(xiàn)有許多系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器可能位于遠(yuǎn)離控制室的潛在危險(xiǎn)區(qū)域。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(gè)傳感器或執(zhí)行器，使得這些系統(tǒng)的重新接線成本高昂且耗時(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(zhí)行器連接到哪個(gè)特定通道。

隔離電源和數(shù)據(jù)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(dú)的隔離器來(lái)提供電源和數(shù)據(jù)隔離。元件數(shù)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(wěn)壓軌和七個(gè)數(shù)據(jù)隔離通道，這些全都在一個(gè)封裝中，可滿足隔離電源和數(shù)據(jù)通道的要求。與分立式電源和數(shù)據(jù)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(gè)SPI信號(hào)使用ADP1032的高速隔離數(shù)據(jù)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(dá)16.6 MHz的SPI時(shí)鐘速率。在時(shí)序要求不那么嚴(yán)格的地方使用低速隔離數(shù)據(jù)通道，如、和信號(hào)。

圖5.由ADP1032供電的AD74413R框圖

系統(tǒng)可靠性

AD74413R系統(tǒng)解決方案能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中保持穩(wěn)健，并提供以下保護(hù)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(duì)瞬態(tài)事件）

?在接線錯(cuò)誤的情況下，無(wú)法從螺絲端子向器件供電

SPI CRC和SCLK計(jì)數(shù)特性確保不會(huì)發(fā)生錯(cuò)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(hào)和三個(gè)GPIO信號(hào)的數(shù)據(jù)。對(duì)于2級(jí)污染，ADP1032提供高達(dá)300 V的基本隔離。ADP1032的電源和數(shù)據(jù)通道的電氣隔離保護(hù)系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)健性

ADP1032和AD74413R作為一個(gè)完整系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)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(guò)CISPR Class-B

功耗

靈活的多通道系統(tǒng)要求權(quán)衡系統(tǒng)功耗，因?yàn)锳D74413R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(shè)計(jì)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(fù)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(yùn)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的使用場(chǎng)景，這意味著螺絲端子上的最大輸出電壓為12 V。根據(jù)AD74413R數(shù)據(jù)手冊(cè)，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(duì)于其他輸入和輸出模式，應(yīng)進(jìn)行相同的AVDD電源電壓計(jì)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(jì)算ADP1032 + AD74413R的系統(tǒng)功耗，可以將整個(gè)系統(tǒng)視為一個(gè)黑盒，然后從提供給系統(tǒng)的輸入功率(PIN)中減去提供給負(fù)載的輸出功率(POUT)即可，如圖8所示。系統(tǒng)功耗包括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(gè)通道配置為相同工作模式和相同負(fù)載特性時(shí)的系統(tǒng)功耗。在本例中，為AD74413R AVDD供電的ADP1032 VOUT1輸出設(shè)置為16.6 V，假設(shè)支持所有不同工作模式以及預(yù)定義的負(fù)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(tǒng)功耗更差，但在四個(gè)通道以滿量程輸出工作時(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(fù)載的影響很大。

圖9.AD74413R + ADP1032系統(tǒng)針對(duì)不同工作模式和負(fù)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(jǐn)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(nèi)，ADP1032對(duì)于各種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(qū)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(nèi)，ADP1032 VOUT1在不同輸出電壓下的最大輸出電流

結(jié)論

工廠的數(shù)字化帶來(lái)了產(chǎn)量、工廠利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。然而，向數(shù)字化工廠的過(guò)渡并非易事，因?yàn)閭鹘y(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(bǔ)了支持以太網(wǎng)的現(xiàn)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(cè)和診斷功能可節(jié)省排錯(cuò)和系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間。診斷功能還可用于監(jiān)視系統(tǒng)以進(jìn)行維護(hù)。最后，ADP1032對(duì)數(shù)據(jù)和電源進(jìn)行電氣隔離，確保電源和數(shù)據(jù)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(shù)字化企業(yè)”。PwC，2016年。

Brendan O’Dowd。“10BASE-T1L：將大數(shù)據(jù)分析范圍擴(kuò)大到工廠網(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(xiàn)無(wú)縫現(xiàn)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(xiàn)工業(yè)I/O模塊的靈活性”。ADI公司，2021年。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)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，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(dān)任產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他于2011年9月加入ADI，曾擔(dān)任過(guò)產(chǎn)品工程、設(shè)計(jì)評(píng)估和產(chǎn)品應(yīng)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(qū)），獲電子工程學(xué)士學(xué)位。

Jefferson A. Eco目前在ADI菲律賓公司擔(dān)任應(yīng)用開發(fā)工程師。他于2011年加入ADI公司。Jefferson目前擁有一項(xiàng)美國(guó)專利，并撰寫/合作撰寫了關(guān)于為GSPS ADC供電的開關(guān)穩(wěn)壓器和了解鐵氧體磁珠等主題的技術(shù)文章。Jefferson專注于開發(fā)工業(yè)應(yīng)用電源管理產(chǎn)品，以及采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通用DC/DC轉(zhuǎn)換器，例如反激式、降壓、反相降壓-升壓和LDO穩(wěn)壓器。他畢業(yè)于菲律賓納加市卡馬里內(nèi)斯蘇爾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。

審核編輯：湯梓紅