通过软件可配置I/O解决工业4.0挑战

作者：Bien Javier and Jefferson Eco

本文介绍一种软件可配置输入/输出（I/O）器件及其专用隔离电源和数据解决方案，有助于解决将传统模拟信号桥接到工业以太网的挑战。本文介绍软件可配置 I/O 设备固有的通道灵活性、故障检测和诊断功能的优势。还介绍了系统级评估结果，以展示系统解决方案的整体优势，包括系统鲁棒性和功耗。

介绍

工业以太网的进步使工厂实现了智能互联制造。现场仪表必须使用传统模拟信号（即 4 至 20 mA、0 V 至 10 V）连接到以太网域。这给固定功能I/O模块带来了挑战。系统设计人员需要设计多个模块来涵盖不同的传感器和执行器。但是，固定功能模块中的某些通道可能未使用且过剩。软件可配置的I/O模块允许高效使用I/O系统中的所有通道。拥挤的布线可能导致传感器和执行器与这些固定功能I/O的连接不正确。调试和修复这些故障非常耗时，需要手动将负载重新连接到 I/O 通道。

软件可配置的I/O系统提供了从传统模拟信号到工业以太网域的无缝过渡。软件可配置的I/O设备可以通过远程配置在任何通道上提供任何功能（模拟I/O、数字I/O、RTD），这有助于简化调试。这种灵活性与诊断功能相结合，可实现远程故障排除，从而为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数字连接传感器的演变，这些传感器具有软件可配置的 I/O，可实现无缝过渡。

图1.将传统设备桥接到以太网的软件可配置 I/O。

ADI公司的AD74413R软件可配置I/O与ADP1032 2通道隔离式微功耗管理单元（μPMU）相结合，是稳健的软件可配置I/O解决方案的一个例子。AD74413R是一款四通道软件可配置I/O，具有自动故障检测和诊断功能。ADP1032专为AD74413R量身定制，可提供隔离电源和数据通道，支持紧凑、隔离的软件可配置I/O系统。

渠道灵活性

对于具有不同I/O要求的各种工业应用，系统设计人员需要一个灵活的系统，该系统可以快速配置以适应需求。AD74413R的四个通道可配置为各种输入和输出模式，例如：

高阻抗

电压输入

电压输出

外部供电电流输入

环路供电电流输入

电流输出

数字输入逻辑

环路供电数字输入

热电阻测量

需要一组外部分立元件来支持四个通道中的任何一个上的任何功能，从而提供充分的灵活性。如果执行器或传感器接线错误，可以使用单个SPI重新配置通道。

在单个封装中提供所有功能需要更少的硬件设计组件，这导致：

降低装配和测试成本

可靠性更高，调试更轻松

简化采购

与通用 I/O 的分立实施相比，通道密度更高

图2显示了支持AD74413R所有功能所需的外部元件，无论连接的负载如何。

图2.AD74413R具有所有功能所需的外部元件。

故障检测和诊断功能

AD74413R具有自动故障检测和不同的诊断功能，有助于实现故障隔离。ALERT 引脚被置位，可用于在故障情况下中断微控制器。然后，用户可以查询警报寄存器以确定故障的确切原因。用户还可以启用诊断信号以进一步诊断已识别的故障。

图3.软件可配置的 I/O 故障检测。

这些是AD74413R可以检测到的故障：

重置

校准内存错误

SPI CRC 错误

模数转换器误差

电源错误

温度误差

开路/短路错误

这些功能允许用户远程排除系统中发生的任何故障。在许多现有系统中，传感器和执行器可能远离控制室，并位于潜在的危险区域。此外，拥挤的布线也可能使确定哪些电缆连接到哪个传感器或执行器变得困难，使得物理重新布线这些系统的成本过高且耗时。AD74413R模块提供可配置性和诊断功能，以确定哪个传感器或执行器连接到特定通道。

隔离电源和数据解决方案

离散实现

AD74413R的分立隔离电源解决方案需要多个元件，如图4所示。单独的隔离器用于提供电源和数据隔离。这就产生了由于元件数量增加而具有较大电路板面积的问题。

图4.AD74413R分立式电源解决方案框图

ADP1032解决方案

图5显示了由ADP1032供电的AD74413R的框图。ADP1032在一个封装中集成了两个隔离稳压轨以及七个数据隔离通道，可满足对隔离电源和数据通道的要求。与采用分立式电源和数据隔离解决方案相比，电路板面积减少了~3×。这允许客户提高其模块的整体通道密度。AD74413R的四个SPI信号使用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于时序不重要的场合，如LDAC、RESET和ALERT信号。

图5.由ADP1032供电的AD74413R框图。

系统稳健性

AD74413R系统解决方案设计为在恶劣工业环境中鲁棒，并提供以下保护功能：

螺丝端子上的TVS（用于防止浪涌事件）

面向引脚的螺丝端子可承受 ±50 V DC 或更高电压（用于瞬态事件）

在接线错误事件中，无法从螺丝端子向设备供电

SPI CRC 和 SCLK 计数功能可确保不会发生错误的 SPI 事务。此外，ADP1032为AD74413R的两个正电源轨提供隔离电源，并隔离四个SPI信号和三个GPIO信号的数据。ADP1032具有高达300 V的基本隔离，污染等级为2。ADP1032电源和数据通道中的电气隔离可保护系统免受高压瞬变的影响，降低接地环路的噪声，并实现物理安全。

图6.ADP1032 + AD74413R软件可配置I/O系统鲁棒性。

ADP1032和AD74413R作为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，裕量大于6 dB，如图7所示。

图7.AD74413R + ADP1032辐射发射通过CISPR B类。

功耗

拥有灵活的多通道系统需要权衡系统功耗，因为AD74413R软件可配置I/O的每个通道都可以配置为各种模式，而AD74413R的电源则保持单输出电压。设计人员必须选择最高的AD74413R AVDD电源电压，因此它可以支持最坏情况，同时考虑所需的电压裕量和负载特性，以确保每种模式的正常运行。考虑AD74413R处于电流输出模式的用例，负载电阻为600 Ω，输入电流范围高达20 mA。这意味着螺丝端子上的最大输出电压为 12 V。根据AD74413R数据手册，电流输出模式所需的裕量电压为4.6 V。 将裕量电压与最大输出电压相加得到16.6 V，这是所需的最小AVDD电流输出模式下为AD74413R供电。相同的视音频DD应针对其他输入和输出模式以及产生的最高AV进行电源电压计算DD电压必须用作ADP1032 V的输出输出1.

ADP1032 + AD74413R系统功耗的计算方法是将整个系统视为黑匣子，然后减去输出功率（P外）从输入功率（P在） 提供给系统，如图 8 所示。系统功耗将包括ADP1032电源转换损耗、AD74413R静态电流、数字通道隔离器静态电流以及AD74413R输出路径损耗，尤其是所需的裕量。图9显示了AD74413R所有四个通道配置相同工作模式和相同负载特性的系统功耗。在本例中，ADP1032 V输出1为AD74413R AV供电的输出DD设置为 16.6 V，假设该电压支持预定义负载以及输入和输出条件下的所有不同工作模式。ADP1032的输入电源电压为24 V，电流输出模式下的系统功耗较差，对于以满量程输出工作的四个通道，系统功耗仍小于1 W，如图9所示。功耗受AD74413R输入和输出电平以及负载的影响很大。

图8.ADP1032 + AD74413黑匣子图示。

图9.AD74413R + ADP1032系统功耗适用于各种工作模式和负载（所有四个通道配置相同），ADP1032输入电源= 24 V。

选择ADP1032的输入电源时必须小心（VHN1）.ADP1032 V的选择HN1将确定提供给AD74413R的ADP1032的最大输出电流。图10显示了ADP1032在各种V下的最大输出电流输出1跨 V 的设置HN1范围。为ADP1032选择的输入电源必须能够在最坏情况下支持AD74413R的电流需求，例如在输出电流模式下，所有四个通道都驱动20 mA的最大输出电流。

图 10.ADP1032 V输出1输入电源电压范围内各种输出电压下的最大输出电流。

结论

工厂的数字化带来了产量、工厂利用率和劳动生产率的提高。然而，向数字工厂的过渡是一个挑战，因为传统系统缺乏支持10BASE-T1L的传感器和执行器。AD74413R软件可配置I/O与ADP1032耦合，弥补了以太网现场仪表的差距。AD74413R的四个通道非常灵活，每个通道都可以编程为8种不同的I/O配置。其故障检测和诊断功能可节省系统调试和调试时间。诊断功能还可用于监控系统的维护情况。最后，ADP1032对数据和电源进行电气隔离，确保电源和数据的安全高效传输。

审核编辑：郭婷