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。

产品管理面临关于每种产品需要多少渠道和哪些组合的决策。电子设计师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成本效益的系统。安装技术人员可能会被所有不同的产品和众多的布线方案所淹没。使用软件可配置输入/输出 （SWIO） IC 可以缓解许多这些困难，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），最终客户和应用程序有不同的要求。对于产品经理来说，定义正确的产品、策略和优化是一项艰巨的任务。1 一个最终客户可能需要更多的模拟输出通道，例如 4 mA 到 20 mA，而另一个则要求更多的数字输入。或者同一个客户可以为一个平台要求更多的模拟频道，而另一个平台需要更多的数字频道。这种困境的例子如图 1 所示。随着工业 4.0 的兴起，制造商需要能够快速轻松地适应不断变化的需求的灵活系统，所有这些都是由消费者行为和需求的变化所驱动的。结果，他们不能再依赖固定，为大众市场产品和可预测需求而设计的大型系统。相反，需要能够以最少的停机时间和资本投资快速重新配置的灵活系统。

图 1. 通道数和配置可能性。

SWIO 组件使它们的通道能够被编程，不仅可以作为输入或输出，还可以作为模拟或数字。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 还充当基于以太网的控制网络的桥梁，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，能够在现有的支持 HART? 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 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。本示例中使用的可配置器件是AD74413R，它是一款四通道 SWIO 器件，具有一个 16 位 Σ-Δ （∑-Δ） ADC 和四个 13 位 DAC，采用 9 mm × 9 mm 封装，支持 –40°C 至 +105°C 工作温度范围的 64 引脚 LFCSP。

图 2. SW 可配置 I/O 组件和典型应用示例。

每个软件可配置 I/O 都通过配置寄存器在 SPI 总线上进行控制，其时钟可高达 24 MHz。用户可以通过寄存器映射细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。

每个通道的 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能力。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，而在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

每个通道的功能概览见表1。该组件可以支持电压输出、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，默认功能还包括高阻抗模式。

表 1. 可能的功能选择

电压输出放大器可产生高达 11 V 的单极电压。内部低压电荷泵允许放大器产生真正的零输出电压。在此模式下，外部检测电阻器提供电流反馈（强制电压测量电流 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），通过感测传感器电阻（SENSEL_x 和 SENSEH_x 引脚）上的差分电压进行调节。在存在低阻性负载的情况下，为了降低芯片上的功耗，可以连接一个外部 PMOS 以传递 0 mA 至 25 mA 的输出电流。

电流输入模式可以支持外部供电和环路供电配置。16 位 Σ-Δ ADC 自动测量通过检测电阻器的电流。可过滤检测引脚（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，可确保最小 230 Ω 接收阻抗。 2

电压输入模式通过滤波端口 （SENSELF_x） 和接地检测之一使用 ADC 测量电压。可以针对浮动电压选择额外的下拉选项。在电压输入模式下，由于 ADC 中的专用范围设置，还可以读取热电偶读数。

电阻测量模式使用源自 2.5 V 偏置的电压对外部 2 线 RTD 进行偏置。通过上拉电阻偏置电压，将确保准确的比率测量。低激励电流最大限度地降低了功耗，减少了 RTD 的自热。

数字输入模式支持 IEC 61131-2 Type I、Type II 和 Type III 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） 和用户可编程的去抖滤波。

稳健性和诊断

由于工业环境的性质，软件可配置 I/O 的设计必须能够在嘈杂的环境中保持稳健，并能够承受过压情况，例如接线错误和浪涌事件。当连接到比 AVDD 引脚更高的电位时，片上线路保护器可防止螺钉端子将电源倾倒到 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。为了进一步提高稳健性，循环冗余校验 （CRC） 内置于 SPI 接口中。

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 功能正确运行，并针对最常见的故障情况提供警告。片上诊断监控电源电压、基准、芯片温度（作为警报或关闭）和螺丝端子。当端子处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以及正常操作。例如，它为电压模式提供短路检测或帮助调节电流输出模式。用户还可以选择编写自己的诊断程序来测试连接的传感器/执行器，

如果发生警报条件，则 ALERT 引脚置位。ALERT_STATUS 寄存器确定故障的来源。

配套实现

一种常见的应用要求是 I/O 模块或 PLC 具有微处理器隔离功能，或者它们具有来自总线侧的电子控制单元。数据和电源都应该是电隔离的。出于这两个目的，一个专用的电源和数据隔离器可以达到这个目的。例如，ADP1032是一款高性能隔离式电源管理单元 （PMU），包含一个带降压稳压器的隔离式反激式和数据隔离通道（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 电压。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，它还有七个低功耗数字隔离通道——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，也可以将其编程为特殊数字输出 （DO）。通过外部 PMOS 和限流控制器（如ADM1270），该引脚可以调节数百毫安电流，用于驱动继电器或灯。这为此类电感或电阻负载提供了浪涌电流限制和过流保护。AD74413R 评估板上有一个典型应用示例。

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

由于本文的范围涵盖工业应用，因此我们主要讨论了 AD74413R。还有一个更轻的版本，称为AD74412R，适用于构建控制应用。它具有 –40°C 至 +85°C 的更低工作温度范围、更宽松的电流输入和输出精度以及高达 26.4 V 的电源电压。

借助软件可配置 I/O，制造商可以开发一个平台来替换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程序中使用这项技术，其中 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 模块和为每种通道类型指定布线的控制柜的系统，由于最终用户现在可以从控制室安装一个可编程的模块，因此不再需要硬件，从而有助于减少产品管理、物流、制造和支持费用。SWIO 技术还可以作为基于以太网的控制网络的桥梁，因为它可以应用于现有的安装。

审核编辑：郭婷