软件可(kě)配置I/O解决IIoT挑战

2022-08-09

软件可(kě)配置I/O解决IIoT挑战

软件可(kě)配置I/O系统提供从传统模拟信号到工业以太网域的无缝过渡。

工业以太网的进步使工厂中的智能(néng)互联制造成為(wèi)可(kě)能(néng)。现场仪器必须使用(yòng)传统模拟信号（即4至20 mA、0 V至10 V）连接到以太网域。这对固定功能(néng)的I/O模块提出了挑战。系统设计人员需要设计多(duō)个模块来覆盖不同的传感器和执行器。但是，固定功能(néng)模块中的某些通道可(kě)能(néng)未使用(yòng)并过剩。软件可(kě)配置的I/O模块允许有(yǒu)效使用(yòng)I/O系统中的所有(yǒu)通道。拥挤的布線(xiàn)可(kě)能(néng)会导致传感器和执行器与这些固定功能(néng)I/O的连接不正确。调试和修复这些故障非常耗时，并且需要手动将负载重新(xīn)连接到I/O通道。

软件可(kě)配置I/O系统提供从传统模拟信号到工业以太网域的无缝过渡。软件可(kě)配置的I/O设备可(kě)以通过遠(yuǎn)程配置在任何通道上提供任何功能(néng)（模拟I/O、数字I/O、RTD），这有(yǒu)助于简化调试。这种灵活性与诊断功能(néng)相结合，可(kě)以进行遠(yuǎn)程故障排除，从而為(wèi)技术人员节省时间和精力。图1显示了工业连接从传统模拟信号到智能(néng)数字连接传感器的演变，软件可(kě)配置 I/O 实现了无缝过渡。

Analog Devices 的AD74413R软件可(kě)配置I/O与ADP1032双通道隔离式微功率管理(lǐ)单元 (µPMU) 相结合，是强大的软件可(kě)配置 I/O 解决方案的一个示例。AD74413R 是一款四通道软件可(kě)配置 I/O，配备自动故障检测和诊断功能(néng)。ADP1032 专為(wèi) AD74413R 量身定制，可(kě)提供隔离式電(diàn)源和数据通道，从而实现紧凑型隔离式软件可(kě)配置 I/O 系统。

渠道灵活性

对于具有(yǒu)不同 I/O 要求的各种工业应用(yòng)，系统设计人员需要一个可(kě)以快速配置以适应需求的灵活系统。AD74413R 的四个通道可(kě)配置為(wèi)各种输入和输出模式，例如：

高阻抗

電(diàn)压输入

電(diàn)压输出

外部供電(diàn)電(diàn)流输入

回路供電(diàn)電(diàn)流输入

電(diàn)流输出

数字输入逻辑

回路供電(diàn)数字输入

热電(diàn)阻测量

需要一组外部分(fēn)立元件来支持四个通道中的任何一个上的任何功能(néng)，从而提供充分(fēn)的灵活性。如果执行器或传感器接線(xiàn)错误，则可(kě)以使用(yòng)单个 SPI 重新(xīn)配置通道。

在单个封装中提供所有(yǒu)功能(néng)需要的硬件设计组件更少，这会导致：

降低组装和测试成本

更高的可(kě)靠性和更容易的调试

简化采購(gòu)

与通用(yòng) I/O 的离散实现相比，通道密度更高

图 2显示了支持 AD74413R 的所有(yǒu)功能(néng)所需的外部组件，无论连接的负载如何。

图 2：AD74413R 以及所有(yǒu)功能(néng)所需的外部组件

故障检测和诊断能(néng)力

AD74413R 配备自动故障检测和不同的诊断功能(néng)，有(yǒu)助于故障隔离。ALERT 引脚被置位，可(kě)用(yòng)于在故障条件下中断微控制器。然后用(yòng)户可(kě)以查询警报寄存器以确定故障的确切原因。用(yòng)户还可(kě)以启用(yòng)诊断信号以进一步诊断已识别的故障。

图 3：软件可(kě)配置 I/O 故障检测

图 4：AD74413R 分(fēn)立電(diàn)源解决方案框图

以下是 AD74413R 可(kě)以检测到的故障：

重置

校准内存错误

SPI CRC 错误

ADC 错误

電(diàn)源错误

温度误差

开路/短路错误

这些功能(néng)允许用(yòng)户遠(yuǎn)程排除系统中发生的任何故障。在许多(duō)现有(yǒu)系统中，传感器和执行器可(kě)能(néng)位于遠(yuǎn)离控制室和潜在危险區(qū)域的位置。此外，拥挤的布線(xiàn)也可(kě)能(néng)导致难以确定哪些電(diàn)缆连接到哪个传感器或执行器，从而使这些系统的物(wù)理(lǐ)重新(xīn)布線(xiàn)成本高昂且耗时。AD74413R 模块提供可(kě)配置性和诊断功能(néng)，以确定哪个传感器或执行器连接到特定通道。

隔离電(diàn)源和数据解决方案

离散实现

AD74413R 的分(fēn)立隔离式電(diàn)源解决方案需要多(duō)个组件，如图 4所示。单独的隔离器用(yòng)于提供電(diàn)源和数据隔离。由于元件数量的增加，这产生了具有(yǒu)大板面积的问题。

ADP1032解决方案

图 5显示了由 ADP1032 供電(diàn)的 AD74413R 的框图。ADP1032 在一个封装中集成了两个隔离稳压轨和七个数据隔离通道，从而满足了隔离電(diàn)源和数据通道的要求。与具有(yǒu)分(fēn)立電(diàn)源和数据隔离解决方案相比，这提供了约 3 倍的電(diàn)路板面积减少。这允许客户增加其模块中的整體(tǐ)通道密度。AD74413R 的四个 SPI 信号使用(yòng) ADP1032 的高速隔离数据通道，这些通道针对 15 ns 的低传播延迟进行了优化，支持高达 16.6 MHz 的 SPI 时钟速率。低速隔离数据通道用(yòng)于时序不重要的地方，例如 LDAC、RESET 和 ALERT 信号。

图 5：由 ADP1032 供電(diàn)的 AD74413R 框图

系统稳健性

AD74413R 系统解决方案旨在在恶劣的工业环境中保持稳健，并提供以下保护功能(néng)：

螺丝端子上的 TVS（用(yòng)于防止浪涌事件）

面向螺钉端子的引脚可(kě)承受 ±50 VDC 及更高的電(diàn)压（用(yòng)于瞬态事件）

在接線(xiàn)错误事件中，无法从螺钉端子向设备供電(diàn)

SPI CRC 和 SCLK 计数功能(néng)确保不会发生错误的 SPI 事務(wù)。此外，ADP1032 為(wèi) AD74413R 的两个正轨提供隔离電(diàn)源，隔离四个 SPI 信号和三个 GPIO 信号的数据。ADP1032 的基本隔离電(diàn)压高达 300 V，污染等级為(wèi) 2。ADP1032 的電(diàn)源和数据通道中的電(diàn)流隔离可(kě)保护系统免受高压瞬变的影响，降低接地回路的噪声，并创造人身安全。

图 6：ADP1032 + AD74413R 软件可(kě)配置 I/O 系统稳健性

ADP1032 和 AD74413R 作為(wèi)一个完整的系统进行测量和验证，符合 CISPR 11 B 类辐射发射水平，余量大于 6dB，如图 7所示。

图 7：AD74413R + ADP1032 辐射发射通过 CISPR B 类

功耗

拥有(yǒu)灵活的多(duō)通道系统会在系统功耗方面进行权衡，因為(wèi) AD74413R 的软件可(kě)配置 I/O 的每个通道都可(kě)以配置為(wèi)各种模式，而 AD74413R 的電(diàn)源则保持单一输出電(diàn)压。设计人员必须选择最高的 AD74413R AVDD 電(diàn)源電(diàn)压，以便它能(néng)够支持最坏情况，同时考虑所需的電(diàn)压裕量和负载特性，以确保每种模式的正常运行。

考虑 AD74413R 处于電(diàn)流输出模式、负载電(diàn)阻為(wèi) 600 Ω、输入電(diàn)流范围高达 20 mA 的用(yòng)例。这意味着螺钉端子上的最大输出電(diàn)压為(wèi) 12 V。根据 AD74413R 数据表，電(diàn)流输出模式所需的裕量電(diàn)压為(wèi) 4.6 V。将裕量電(diàn)压与最大输出電(diàn)压相加得到 16.6 V，这是 AD74413R 在電(diàn)流输出模式下所需的最小(xiǎo) AVDD 電(diàn)源。对于其他(tā)输入和输出模式，应进行相同的 AVDD 電(diàn)源電(diàn)压计算，并且必须将得到的最高 AVDD 電(diàn)压用(yòng)作 ADP1032 VOUT1 的输出。

图 8：ADP1032 + AD74413 黑盒插图

ADP1032 + AD74413R 的系统功耗可(kě)以通过将整个系统视為(wèi)一个黑匣子来计算，只需从提供给系统的输入功率 (PIN) 中减去提供给负载的输出功率 (POUT)，如图 8所示。系统功耗将包括 ADP1032 電(diàn)源转换的损耗、AD74413R 静态電(diàn)流、数字通道隔离器的静态電(diàn)流以及 AD74413R 输出路径中的损耗，尤其是所需的裕量。

图 9显示了 AD74413R 的所有(yǒu)四个通道配置為(wèi)相同的工作模式和相同的负载特性时的系统功耗。在本示例中，為(wèi) AD74413R AVDD 供電(diàn)的 ADP1032 VOUT1 输出设置為(wèi) 16.6 V，假设支持具有(yǒu)预定义负载以及输入和输出条件的所有(yǒu)不同工作模式。ADP1032 的输入電(diàn)源為(wèi) 24 V。電(diàn)流输出模式下的系统功耗更差，对于满量程输出工作的四个通道，其功耗仍低于 1 W，如图 9所示。功耗受 AD74413R 的输入和输出電(diàn)平以及负载的影响很(hěn)大。

图 9：不同工作模式和负载的 AD74413R + ADP1032 系统功耗（所有(yǒu)四个通道配置相同），ADP1032 输入電(diàn)源 = 24 V

选择 ADP1032 (VINP) 的输入電(diàn)源时必须小(xiǎo)心。ADP1032 VINP 的选择将决定提供给 AD74413R 的 ADP1032 的最大输出電(diàn)流。图 10显示了 ADP1032 在整个 VINP 范围内的各种 VOUT1 设置的最大输出電(diàn)流。為(wèi) ADP1032 选择的输入電(diàn)源必须能(néng)够支持 AD74413R 在最坏情况下的電(diàn)流需求，例如在输出電(diàn)流模式的情况下，其中所有(yǒu)四个通道都在驱动 20 mA 的最大输出電(diàn)流。

图 10：ADP1032 VOUT1 在输入電(diàn)源電(diàn)压范围内的各种输出電(diàn)压下的最大输出電(diàn)流

结论

工厂的数字化带来了产量、工厂利用(yòng)率和劳动生产率的提高。然而，向数字工厂的过渡是一项挑战，因為(wèi)传统系统缺乏支持 10BASE-T1L 的传感器和执行器。AD74413R 软件可(kě)配置 I/O 与 ADP1032 相结合，填补了支持以太网的现场仪器的空白。

AD74413R 的四个通道非常灵活，每个通道都可(kě)以编程為(wèi)八个 I/O 配置。它的故障检测和诊断功能(néng)可(kě)以节省系统调试和调试期间的时间。诊断功能(néng)还可(kě)用(yòng)于监控系统进行维护。最后，ADP1032 对数据和電(diàn)源进行電(diàn)隔离，确保電(diàn)源和数据的安全高效传输。