軟件可配置I/O系統解決IIoT挑戰

工業以太網的進步使工廠中的智能互聯制造成為可能。現場儀器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 模塊提出了挑戰。系統設計人員需要設計多個模塊來覆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并過剩。軟件可配置的 I/O 模塊允許有效使用 I/O 系統中的所有通道。擁擠的布線可能會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，并且需要手動將負載重新連接到 I/O 通道。

軟件可配置 I/O 系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，可以進行遠程故障排除，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，軟件可配置 I/O 實現了無縫過渡。

Analog Devices 的AD74413R軟件可配置 I/O 與ADP1032雙通道隔離式微功率管理單元 (μPMU) 相結合，是強大的軟件可配置 I/O 解決方案的一個示例。AD74413R 是一款四通道軟件可配置 I/O，配備自動故障檢測和診斷功能。ADP1032 專為 AD74413R 量身定制，可提供隔離式電源和數據通道，從而實現緊湊型隔離式軟件可配置 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可以快速配置以適應需求的靈活系統。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

回路供電電流輸入

電流輸出

數字輸入邏輯

回路供電數字輸入

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，則可以使用單個 SPI 重新配置通道。

在單個封裝中提供所有功能需要的硬件設計組件更少，這會導致：

降低組裝和測試成本

更高的可靠性和更容易的調試

簡化采購

與通用 I/O 的離散實現相比，通道密度更高

圖 1：將傳統設備橋接到以太網的軟件可配置 I/O（來源：Analog Devices, Inc.）

圖 2顯示了支持 AD74413R 的所有功能所需的外部組件，無論連接的負載如何。

圖 2：AD74413R 以及所有功能所需的外部組件（來源：Analog Devices, Inc.）

故障檢測和診斷能力

AD74413R 配備自動故障檢測和不同的診斷功能，有助于故障隔離。ALERT 引腳被置位，可用于在故障條件下中斷微控制器。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 I/O 故障檢測（來源：Analog Devices, Inc.）

圖 4：AD74413R 分立電源解決方案框圖（來源：Analog Devices, Inc.）

以下是 AD74413R 可以檢測到的故障：

重置

校準內存錯誤

SPI CRC 錯誤

ADC 錯誤

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位于遠離控制室和潛在危險區域的位置。此外，擁擠的布線也可能導致難以確定哪些電纜連接到哪個傳感器或執行器，從而使這些系統的物理重新布線成本高昂且耗時。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 的分立隔離式電源解決方案需要多個組件，如圖 4所示。單獨的隔離器用于提供電源和數據隔離。由于元件數量的增加，這產生了具有大板面積的問題。

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和七個數據隔離通道，從而滿足了隔離電源和數據通道的要求。與具有分立電源和數據隔離解決方案相比，這提供了約 3 倍的電路板面積減少。這允許客戶增加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地方，例如 LDAC、RESET 和 ALERT 信號。

圖 5：由 ADP1032 供電的 AD74413R 框圖（來源：Analog Devices, Inc.）

系統穩健性

AD74413R 系統解決方案旨在在惡劣的工業環境中保持穩健，并提供以下保護功能：

螺絲端子上的 TVS（用于防止浪涌事件）

面向螺釘端子的引腳可承受 ±50 VDC 及更高的電壓（用于瞬態事件）

在接線錯誤事件中，無法從螺釘端子向設備供電

SPI CRC 和 SCLK 計數功能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，隔離四個 SPI 信號和三個 GPIO 信號的數據。ADP1032 的基本隔離電壓高達 300 V，污染等級為 2。ADP1032 的電源和數據通道中的電流隔離可保護系統免受高壓瞬變的影響，降低接地回路的噪聲，并創造人身安全。

圖 6：ADP1032 + AD74413R 軟件可配置 I/O 系統穩健性（來源：Analog Devices, Inc.）

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，余量大于 6dB，如圖 7所示。

圖 7：AD74413R + ADP1032 輻射發射通過 CISPR B 類（來源：Analog Devices, Inc.）

功耗

擁有靈活的多通道系統會在系統功耗方面進行權衡，因為 AD74413R 的軟件可配置 I/O 的每個通道都可以配置為各種模式，而 AD74413R 的電源則保持單一輸出電壓。設計人員必須選擇最高的 AD74413R AVDD 電源電壓，以便它能夠支持最壞情況，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、負載電阻為 600 Ω、輸入電流范圍高達 20 mA 的用例。這意味著螺釘端子上的最大輸出電壓為 12 V。根據 AD74413R 數據表，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。對于其他輸入和輸出模式，應進行相同的 AVDD 電源電壓計算，并且必須將得到的最高 AVDD 電壓用作 ADP1032 VOUT1 的輸出。

圖 8：ADP1032 + AD74413 黑盒插圖（來源：Analog Devices, Inc.）

ADP1032 + AD74413R 的系統功耗可以通過將整個系統視為一個黑匣子來計算，只需從提供給系統的輸入功率 (PIN) 中減去提供給負載的輸出功率 (POUT)，如圖 8所示。系統功耗將包括 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的工作模式和相同的負載特性時的系統功耗。在本示例中，為 AD74413R AVDD 供電的 ADP1032 VOUT1 輸出設置為 16.6 V，假設支持具有預定義負載以及輸入和輸出條件的所有不同工作模式。ADP1032 的輸入電源為 24 V。電流輸出模式下的系統功耗更差，對于滿量程輸出工作的四個通道，其功耗仍低于 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：不同工作模式和負載的 AD74413R + ADP1032 系統功耗（所有四個通道配置相同），ADP1032 輸入電源 = 24 V（來源：Analog Devices, Inc.）

選擇 ADP1032 (VINP) 的輸入電源時必須小心。ADP1032 VINP 的選擇將決定提供給 AD74413R 的 ADP1032 的最大輸出電流。圖 10顯示了 ADP1032 在整個 VINP 范圍內的各種 VOUT1 設置的最大輸出電流。為 ADP1032 選擇的輸入電源必須能夠在最壞情況下支持 AD74413R 的電流需求，例如在輸出電流模式的情況下，所有四個通道都在驅動 20 mA 的最大輸出電流。