【導讀】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，該解決方案有助於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麵的優勢。本文還給出了係統級評估結果
，展示了係統解決方案的整體優勢，包括係統穩健性和功耗。

引言

工業以太網的進步使得工廠的智能互聯製造成為可能。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mo塊kuai提ti出chu了le挑tiao戰zhan。係xi統tong設she計ji人ren員yuan需xu要yao設she計ji多duo個ge模mo塊kuai來lai覆fu蓋gai不bu同tong的de傳chuan感gan器qi和he執zhi行xing器qi。然ran而er，固gu定ding功gong能neng模mo塊kuai中zhong的de某mou些xie通tong道dao可ke能neng未wei被bei使shi用yong，成cheng為wei多duo餘yu通tong道dao。軟ruan件jian可ke配pei置zhiI/O模塊支持有效使用I/O係統中的所有通道。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，並且需要手動將負載重新連接到I/O通道。

軟件可配置I/O係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），有助於簡化調試。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解決方案的一個範例。 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量身定製，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係統。

通道靈活性

對於I/O要求各異的不同工業應用，係統設計人員需要一種支持快速配置以適應需求的靈活係統。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xu要yao一yi組zu外wai部bu分fen立li元yuan件jian來lai支zhi持chi四si個ge通tong道dao中zhong任ren何he一yi個ge通tong道dao上shang的de任ren何he功gong能neng，從cong而er提ti供gong充chong分fen的de靈ling活huo性xing。如ru果guo執zhi行xing器qi或huo傳chuan感gan器qi接jie線xian錯cuo誤wu
，可ke利li用yong單dan個geSPI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，調試更輕鬆

►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麼。

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
，有助於定位故障。在故障情況下，ALERT引(yin)腳(jiao)置(zhi)為(wei)有(you)效(xiao)，可(ke)用(yong)來(lai)中(zhong)斷(duan)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)。然(ran)後(hou)，用(yong)戶(hu)可(ke)查(zha)詢(xun)警(jing)報(bao)寄(ji)存(cun)器(qi)以(yi)確(que)定(ding)故(gu)障(zhang)的(de)確(que)切(qie)原(yuan)因(yin)。用(yong)戶(hu)還(hai)可(ke)以(yi)使(shi)能(neng)診(zhen)斷(duan)信(xin)號(hao)以(yi)進(jin)一(yi)步(bu)診(zhen)斷(duan)所(suo)識(shi)別(bie)的(de)故(gu)障(zhang)。

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：

►複位

►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zhe些xie功gong能neng允yun許xu用yong戶hu遠yuan程cheng排pai除chu係xi統tong中zhong發fa生sheng的de任ren何he故gu障zhang。在zai現xian有you許xu多duo係xi統tong中zhong，傳chuan感gan器qi和he執zhi行xing器qi可ke能neng位wei於yu遠yuan離li控kong製zhi室shi的de潛qian在zai危wei險xian區qu域yu。此ci外wai
，擁yong擠ji的de布bu線xian也ye可ke能neng導dao致zhi難nan以yi確que定ding哪na些xie電dian纜lan連lian接jie到dao哪na個ge傳chuan感gan器qi或huo執zhi行xing器qi，使shi得de這zhe些xie係xi統tong的de重zhong新xin接jie線xian成cheng本ben高gao昂ang且qie耗hao時shi。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麵積較大的問題。

ADP1032解決方案

圖5顯示了由ADP1032供電的AD74413R的框圖。ADP1032有(you)兩(liang)個(ge)隔(ge)離(li)穩(wen)壓(ya)軌(gui)和(he)七(qi)個(ge)數(shu)據(ju)隔(ge)離(li)通(tong)道(dao)，這(zhe)些(xie)全(quan)都(dou)在(zai)一(yi)個(ge)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)，可(ke)滿(man)足(zu)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan)和(he)數(shu)據(ju)通(tong)道(dao)的(de)要(yao)求(qiu)。與(yu)分(fen)立(li)式(shi)電(dian)源(yuan)和(he)數(shu)據(ju)隔(ge)離(li)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)相(xiang)比(bi)，上(shang)述(shu)方(fang)案(an)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)減(jian)少(shao)約(yue)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時鍾速率。在時序要求不那麼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

係統可靠性

AD74413R係統解決方案能夠在惡劣的工業環境中保持穩健
，並提供以下保護特性：

►螺絲端子上的TVS（用於防止浪湧事件）

►麵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
，並隔離四個SPI信號和三個GPIO信號的數據。對於2級汙染，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係統免受高壓瞬變的影響
，降低接地環路的噪聲，並確保人身安全。

圖6.ADP1032 + AD74413R軟件可配置I/O係統的穩健性

ADP1032和AD74413R作為一個完整係統進行測量和驗證，符合CISPR 11 B類電磁輻射騷擾水平，裕量大於6 dB
，如圖7所示。

圖7.AD74413R + ADP1032電磁輻射騷擾通過CISPR Class-B

功耗

靈活的多通道係統要求權衡係統功耗，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處於電流輸出模式、負載電阻為600 Ω、輸入電流範圍高達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。對於其他輸入和輸出模式，應進行相同的AVDD電源電壓計算，並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的係統功耗，可以將整個係統視為一個黑盒，然後從提供給係統的輸入功率(PIN)中減去提供給負載的輸出功率(POUT)即可，如圖8所示。係統功耗包括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係統功耗。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。電流輸出模式的係統功耗更差，但在四個通道以滿量程輸出工作時
，功耗仍小於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係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範圍內，ADP1032對於各種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範圍內，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並非易事，因為傳統係統缺乏支持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係統調試的時間。診斷功能還可用於監視係統以進行維護。最後，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：將大數據分析範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。

關於ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力於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，並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2.4萬餘人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關於作者

Bien Verlito A. Javier目前在ADI菲律賓公司擔任產品應用工程師。他於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。他畢業於菲律賓理工大學（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。他於2011年加入ADI公司。Jefferson目前擁有一項美國專利，並撰寫/合作撰寫了關於為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專注於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。他畢業於菲律賓納加市卡馬裏內斯蘇爾職業技術學院，獲電子工程學士學位。

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