作者：Bien Javier and Jefferson Eco

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，有助于解決將傳統模擬信號橋接到工業以太網的挑戰。本文介紹軟件可配置 I/O 設備固有的通道靈活性、故障檢測和診斷功能的優勢。還介紹了系統級評估結果，以展示系統解決方案的整體優勢，包括系統魯棒性和功耗。

介紹

工業以太網的進步使工廠實現了智能互聯制造。現場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。這給固定功能I/O模塊帶來了挑戰。系統設計人員需要設計多個模塊來涵蓋不同的傳感器和執行器。但是，固定功能模塊中的某些通道可能未使用且過剩。軟件可配置的I/O模塊允許高效使用I/O系統中的所有通道。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。調試和修復這些故障非常耗時，需要手動將負載重新連接到 I/O 通道。

軟件可配置的I/O系統提供了從傳統模擬信號到工業以太網域的無縫過渡。軟件可配置的I/O設備可以通過遠程配置在任何通道上提供任何功能（模擬I/O、數字I/O、RTD），這有助于簡化調試。這種靈活性與診斷功能相結合，可實現遠程故障排除，從而為技術人員節省時間和精力。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，這些傳感器具有軟件可配置的 I/O，可實現無縫過渡。

圖1.將傳統設備橋接到以太網的軟件可配置 I/O。

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）相結合，是穩健的軟件可配置I/O解決方案的一個例子。AD74413R是一款四通道軟件可配置I/O，具有自動故障檢測和診斷功能。ADP1032專為AD74413R量身定制，可提供隔離電源和數據通道，支持緊湊、隔離的軟件可配置I/O系統。

渠道靈活性

對于具有不同I/O要求的各種工業應用，系統設計人員需要一個靈活的系統，該系統可以快速配置以適應需求。AD74413R的四個通道可配置為各種輸入和輸出模式，例如：

高阻抗

電壓輸入

電壓輸出

外部供電電流輸入

環路供電電流輸入

電流輸出

數字輸入邏輯

環路供電數字輸入

熱電阻測量

需要一組外部分立元件來支持四個通道中的任何一個上的任何功能，從而提供充分的靈活性。如果執行器或傳感器接線錯誤，可以使用單個SPI重新配置通道。

在單個封裝中提供所有功能需要更少的硬件設計組件，這導致：

降低裝配和測試成本

可靠性更高，調試更輕松

簡化采購

與通用 I/O 的分立實施相比，通道密度更高

圖2顯示了支持AD74413R所有功能所需的外部元件，無論連接的負載如何。

圖2.AD74413R具有所有功能所需的外部元件。

故障檢測和診斷功能

AD74413R具有自動故障檢測和不同的診斷功能，有助于實現故障隔離。ALERT 引腳被置位，可用于在故障情況下中斷微控制器。然后，用戶可以查詢警報寄存器以確定故障的確切原因。用戶還可以啟用診斷信號以進一步診斷已識別的故障。

圖3.軟件可配置的 I/O 故障檢測。

這些是AD74413R可以檢測到的故障：

重置

校準內存錯誤

SPI CRC 錯誤

模數轉換器誤差

電源錯誤

溫度誤差

開路/短路錯誤

這些功能允許用戶遠程排除系統中發生的任何故障。在許多現有系統中，傳感器和執行器可能遠離控制室，并位于潛在的危險區域。此外，擁擠的布線也可能使確定哪些電纜連接到哪個傳感器或執行器變得困難，使得物理重新布線這些系統的成本過高且耗時。AD74413R模塊提供可配置性和診斷功能，以確定哪個傳感器或執行器連接到特定通道。

隔離電源和數據解決方案

離散實現

AD74413R的分立隔離電源解決方案需要多個元件，如圖4所示。單獨的隔離器用于提供電源和數據隔離。這就產生了由于元件數量增加而具有較大電路板面積的問題。

圖4.AD74413R分立式電源解決方案框圖

ADP1032解決方案

圖5顯示了由ADP1032供電的AD74413R的框圖。ADP1032在一個封裝中集成了兩個隔離穩壓軌以及七個數據隔離通道，可滿足對隔離電源和數據通道的要求。與采用分立式電源和數據隔離解決方案相比，電路板面積減少了~3×。這允許客戶提高其模塊的整體通道密度。AD74413R的四個SPI信號使用ADP1032的高速隔離數據通道，這些通道針對15 ns的低傳播延遲進行了優化，支持高達16.6 MHz的SPI時鐘速率。低速隔離數據通道用于時序不重要的場合，如LDAC、RESET和ALERT信號。

圖5.由ADP1032供電的AD74413R框圖。

系統穩健性

AD74413R系統解決方案設計為在惡劣工業環境中魯棒，并提供以下保護功能：

螺絲端子上的TVS（用于防止浪涌事件）

面向引腳的螺絲端子可承受 ±50 V DC 或更高電壓（用于瞬態事件）

在接線錯誤事件中，無法從螺絲端子向設備供電

SPI CRC 和 SCLK 計數功能可確保不會發生錯誤的 SPI 事務。此外，ADP1032為AD74413R的兩個正電源軌提供隔離電源，并隔離四個SPI信號和三個GPIO信號的數據。ADP1032具有高達300 V的基本隔離，污染等級為2。ADP1032電源和數據通道中的電氣隔離可保護系統免受高壓瞬變的影響，降低接地環路的噪聲，并實現物理安全。

圖6.ADP1032 + AD74413R軟件可配置I/O系統魯棒性。

ADP1032和AD74413R作為一個完整的系統進行測量和驗證，符合CISPR 11 B類輻射發射水平，裕量大于6 dB，如圖7所示。

圖7.AD74413R + ADP1032輻射發射通過CISPR B類。

功耗

擁有靈活的多通道系統需要權衡系統功耗，因為AD74413R軟件可配置I/O的每個通道都可以配置為各種模式，而AD74413R的電源則保持單輸出電壓。設計人員必須選擇最高的AD74413R AVDD電源電壓，因此它可以支持最壞情況，同時考慮所需的電壓裕量和負載特性，以確保每種模式的正常運行。考慮AD74413R處于電流輸出模式的用例，負載電阻為600 Ω，輸入電流范圍高達20 mA。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，這是所需的最小AVDD電流輸出模式下為AD74413R供電。相同的視音頻DD應針對其他輸入和輸出模式以及產生的最高AV進行電源電壓計算DD電壓必須用作ADP1032 V的輸出輸出1.

ADP1032 + AD74413R系統功耗的計算方法是將整個系統視為黑匣子，然后減去輸出功率（P外）從輸入功率（P在） 提供給系統，如圖 8 所示。系統功耗將包括ADP1032電源轉換損耗、AD74413R靜態電流、數字通道隔離器靜態電流以及AD74413R輸出路徑損耗，尤其是所需的裕量。圖9顯示了AD74413R所有四個通道配置相同工作模式和相同負載特性的系統功耗。在本例中，ADP1032 V輸出1為AD74413R AV供電的輸出DD設置為 16.6 V，假設該電壓支持預定義負載以及輸入和輸出條件下的所有不同工作模式。ADP1032的輸入電源電壓為24 V，電流輸出模式下的系統功耗較差，對于以滿量程輸出工作的四個通道，系統功耗仍小于1 W，如圖9所示。功耗受AD74413R輸入和輸出電平以及負載的影響很大。

圖8.ADP1032 + AD74413黑匣子圖示。

圖9.AD74413R + ADP1032系統功耗適用于各種工作模式和負載（所有四個通道配置相同），ADP1032輸入電源= 24 V。

選擇ADP1032的輸入電源時必須小心（VHN1）.ADP1032 V的選擇HN1將確定提供給AD74413R的ADP1032的最大輸出電流。圖10顯示了ADP1032在各種V下的最大輸出電流輸出1跨 V 的設置HN1范圍。為ADP1032選擇的輸入電源必須能夠在最壞情況下支持AD74413R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。

圖 10.ADP1032 V輸出1輸入電源電壓范圍內各種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，向數字工廠的過渡是一個挑戰，因為傳統系統缺乏支持10BASE-T1L的傳感器和執行器。AD74413R軟件可配置I/O與ADP1032耦合，彌補了以太網現場儀表的差距。AD74413R的四個通道非常靈活，每個通道都可以編程為8種不同的I/O配置。其故障檢測和診斷功能可節省系統調試和調試時間。診斷功能還可用于監控系統的維護情況。最后，ADP1032對數據和電源進行電氣隔離，確保電源和數據的安全高效傳輸。

審核編輯：郭婷