软件可配置硬件如何帮助提高工业I/O模块的灵活性

无论是用于过程控制安装还是工业自动化系统，I/O模块或现场接线盒在整个产品生命周期中都面临着各种独特的挑战。

产品管理面临着每个产品需要多少渠道和哪些组合的决策。电子设计人员必须决定如何为项目中的各种模拟或数字信号实现最佳性能和经济高效的系统。安装技术人员可能会被所有不同的产品和众多的接线方案所淹没。使用软件可配置输入/输出（SWIO）IC可以缓解其中的许多困难，使系统能够随时支持任何引脚上的任何功能和任何组合。

对于过程控制或工厂自动化中的工业可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制系统（DCS），最终客户和应用有不同的要求。对于产品经理来说，定义正确的产品、战略和优化是一项艰巨的任务。1 一个终端客户可能需要更多的模拟输出通道，例如 4 mA 至 20 mA，而另一个客户则需要更多的数字输入。或者，同一客户可以为一个平台要求更多的模拟通道，而另一个平台需要更多的数字通道。这种困境的示例如图 1 所示。随着工业4.0的兴起，制造商需要灵活的系统，能够快速轻松地适应不断变化的需求，所有这些都是由消费者行为和需求的变化驱动的。因此，他们不能再依赖为大众市场产品和可预测需求而设计的固定、大规模系统。相反，需要灵活的系统，可以在最短的停机时间和资本投资下快速重新配置。

图1.通道号和配置可能性。

SWIO元件使其通道不仅可以编程为输入或输出，还可以编程为模拟或数字。此外，它们可以有效地设置为读取2线或3线RTD或热电偶。

软件可配置I/O还可以作为以太网控制网络的桥梁，因为它可以进一步应用于需要更新10BASE-T1L工业以太网系统的棕地安装。它支持开发标准化、可配置的现场I/O单元，这些单元能够在现有的HART®支持的4 mA至20 mA传感器和执行器与10BASE-T1L或100米光纤回程之间进行转换。

图 2 显示了如何为工业应用实现软件可配置的 I/O。这种架构还可用于过程控制、工厂自动化或楼宇控制应用。本例中使用的可配置器件是AD74413R，这是一款四通道SWIO器件，内置16位Σ-∑Δ型ADC和4个13位DAC，采用9 mm × 9 mm、64引脚LFCSP封装，支持–40°C至+105°C工作温度范围。

图2.软件可配置I/O组件和典型应用示例。

每个软件可配置I/O通过SPI总线上的配置寄存器进行控制，SPI总线的时钟可达24 MHz。 用户可以通过寄存器映射优化每种操作模式的默认配置。每个ADC可以通过单个转换请求测量四个通道中的一个或多个通道上的电流或电压，以及多达四个诊断输入。在本例中，转换速率高达4.8 kSPS，并提供可选的50 Hz和60 Hz抑制滤波器。

每通道13位R串DAC本质上是单调和线性的。这些DAC支持高达25 mA的电流输出，并具有用于故障诊断的开路检测功能。同样，它们可以提供真正的0 V至11 V范围的电压输出。对于成本敏感型应用，高精度内部基准可以驱动DAC和ADC，而当需要最高性能时，可以使用外部基准。

可能的功能和操作模式

每个通道的功能概述如表1所示。该组件可支持电压输出、电流输出、电压输入、电流输入（外部供电）、电流输入（环路供电）、外部RTD测量、数字输入逻辑和环路供电数字输入。上电或器件复位后的默认功能还有高阻抗模式。

表 1.可能的功能选择

电压输出放大器可产生高达11 V的单极性电压。内部低压电荷泵允许放大器产生一个真正的零输出电压。在这种模式下，一个外部检测电阻提供电流反馈（力电压测量电流FVMI方法），而SENSEL_x引脚上的负反馈调节正确的电压电平。

在电流输出模式下，DAC提供电流输出（通常为0 mA至25 mA），通过检测传感器电阻（SENSEL_x和SENSEH_x引脚）上的差分电压进行调节。为了在存在低阻性负载的情况下降低芯片上的功耗，可以连接外部PMOS以传递0 mA至25 mA输出电流。

电流输入模式可支持外部供电和环路供电配置。16位Σ-Δ型ADC自动测量流经检测电阻的电流。可滤波检测引脚（SENSEHF_x和SENSELF_x）用于此目的。此外，两种类型的电流输入功能都具有额外的HART兼容模式，确保接收阻抗最小为230 Ω 2。

电压输入模式通过其中一个滤波端口（SENSELF_x）和接地检测测量ADC的电压。可以选择针对浮动电压的附加下拉选项。在电压输入模式下，由于ADC中的专用范围设置，也可以读取热电偶读数。

电阻测量模式偏置外部2线RTD，电压源自2.5 V偏置。使用上拉电阻偏置电压，将确保精确的比率测量。低激励电流使功耗降至最低，降低了RTD的自发热。

数字输入模式支持 IEC 61131-2 I、II 和 III 类设备。阈值可通过专用寄存器进行编程。每个通道都有一个专用的通用输出（GPO）和用户可编程去抖动滤波。

稳健性和诊断性

由于工业环境的性质，软件可配置I/O必须设计为在嘈杂环境中具有鲁棒性，并能够承受过压情况，如接线错误和浪涌事件。片上线路保护器可防止螺丝端子在连接到比AVDD引脚更高的电位时将功率释放到IC中。额外的TVS二极管可用于承受输入/输出端子上的高浪涌。为了进一步提高鲁棒性，SPI接口内置了循环冗余校验（CRC）。

图3.带有电源管理单元（ADP1032）的软件可配置I/O器件（AD7441xR）的典型应用电路。

诊断功能可确保可配置的 I/O 功能正常运行，并针对最常见的故障情况提供警告。片上诊断功能可监控电源电压、基准电压源、芯片温度（如报警或关断）和螺丝端子。当端子上连接的故障电压高于AVDD或低于0 V时，最后一个因素的诊断有助于检测接线错误。外部检测电阻器进一步有助于诊断和正常工作。例如，它为电压模式提供短路检测，或者帮助调节电流输出模式。用户还可以选择对自己的诊断程序进行编程，以测试连接的传感器/执行器，因为系统可以强制电压或电流，并从现场设备读取电流或电压响应。

如果发生警报情况，则 ALERT 引脚将置位。ALERT_STATUS寄存器确定故障源。

配套实现

一个常见的应用要求是I/O模块或PLC具有微处理器隔离功能，或者它们在总线侧具有电子控制单元。数据和电源都应电隔离。出于这两种目的，专用电源和数据隔离器都可以用于此目的。例如，ADP1032是一款高性能隔离电源管理单元（PMU），包括一个带降压稳压器和数据隔离通道的隔离式反激式（见图2）。

两个稳压器相移，以实现极低的电磁干扰 （EMI）。电流模式反激式控制器可提供6 V至28 V电源。它具有欠压锁定 （UVLO）、过流/过压保护、使能控制、软启动和压摆率控制。此外，它还具有七个低功耗数字隔离通道，其中四个用于SPI，三个用于通用通信。

I/O模块的另一个典型需求是驱动继电器或灯。例如，AD74413R具有GPO，也可以编程为特殊数字输出（DO）。利用外部PMOS和限流控制器（如ADM1270），该引脚可以调节几百毫安的电流，用于驱动继电器或灯。这为此类感性或电阻性负载提供了浪涌电流限制和过流保护。典型的应用示例可在AD74413R的评估板上找到。

当需要HART调制时，AD5700可以为基于AD74413R的系统提供调制解调器功能。

由于本文涵盖工业应用，因此我们主要讨论AD74413R。还有一款更轻的版本，称为AD74412R，适用于楼宇控制应用。它具有–40°C至+85°C的更低工作温度范围，电流输入和输出精度更宽松，电源电压高达26.4 V。

借助软件可配置的 I/O，制造商可以开发一个平台来取代多个老化的固定功能 I/O 模块。此外，他们可以在多个终端应用中使用这项技术，在这些应用中，I/O 会随着每次安装而动态变化。对于传统上依赖于具有多个 I/O 模块和每种通道类型指定接线的控制柜的系统，对硬件的需求消失了，因为最终用户现在可以安装可从控制室编程的单个模块，从而有助于降低产品管理、物流、制造和支持成本。SWIO技术还可以作为基于以太网的控制网络的桥梁，因为它可以应用于已经可用的安装。

审核编辑：郭婷