软件可配置I/O系统解决IIoT挑战

工业以太网的进步使工厂中的智能互联制造成为可能。现场仪器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。这对固定功能的 I/O 模块提出了挑战。系统设计人员需要设计多个模块来覆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并过剩。软件可配置的 I/O 模块允许有效使用 I/O 系统中的所有通道。拥挤的布线可能会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，并且需要手动将负载重新连接到 I/O 通道。

软件可配置 I/O 系统提供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，可以进行远程故障排除，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，软件可配置 I/O 实现了无缝过渡。

Analog Devices 的AD74413R软件可配置 I/O 与ADP1032双通道隔离式微功率管理单元 (µPMU) 相结合，是强大的软件可配置 I/O 解决方案的一个示例。AD74413R 是一款四通道软件可配置 I/O，配备自动故障检测和诊断功能。ADP1032 专为 AD74413R 量身定制，可提供隔离式电源和数据通道，从而实现紧凑型隔离式软件可配置 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可以快速配置以适应需求的灵活系统。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

回路供电电流输入

电流输出

数字输入逻辑

回路供电数字输入

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，则可以使用单个 SPI 重新配置通道。

在单个封装中提供所有功能需要的硬件设计组件更少，这会导致：

降低组装和测试成本

更高的可靠性和更容易的调试

简化采购

与通用 I/O 的离散实现相比，通道密度更高

图 1：将传统设备桥接到以太网的软件可配置 I/O（来源：Analog Devices, Inc.）

图 2显示了支持 AD74413R 的所有功能所需的外部组件，无论连接的负载如何。

图 2：AD74413R 以及所有功能所需的外部组件（来源：Analog Devices, Inc.）

故障检测和诊断能力

AD74413R 配备自动故障检测和不同的诊断功能，有助于故障隔离。ALERT 引脚被置位，可用于在故障条件下中断微控制器。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 I/O 故障检测（来源：Analog Devices, Inc.）

图 4：AD74413R 分立电源解决方案框图（来源：Analog Devices, Inc.）

以下是 AD74413R 可以检测到的故障：

重置

校准内存错误

SPI CRC 错误

ADC 错误

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位于远离控制室和潜在危险区域的位置。此外，拥挤的布线也可能导致难以确定哪些电缆连接到哪个传感器或执行器，从而使这些系统的物理重新布线成本高昂且耗时。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 的分立隔离式电源解决方案需要多个组件，如图 4所示。单独的隔离器用于提供电源和数据隔离。由于元件数量的增加，这产生了具有大板面积的问题。

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和七个数据隔离通道，从而满足了隔离电源和数据通道的要求。与具有分立电源和数据隔离解决方案相比，这提供了约 3 倍的电路板面积减少。这允许客户增加其模块中的整体通道密度。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地方，例如 LDAC、RESET 和 ALERT 信号。

图 5：由 ADP1032 供电的 AD74413R 框图（来源：Analog Devices, Inc.）

系统稳健性

AD74413R 系统解决方案旨在在恶劣的工业环境中保持稳健，并提供以下保护功能：

螺丝端子上的 TVS（用于防止浪涌事件）

面向螺钉端子的引脚可承受 ±50 VDC 及更高的电压（用于瞬态事件）

在接线错误事件中，无法从螺钉端子向设备供电

SPI CRC 和 SCLK 计数功能确保不会发生错误的 SPI 事务。此外，ADP1032 为 AD74413R 的两个正轨提供隔离电源，隔离四个 SPI 信号和三个 GPIO 信号的数据。ADP1032 的基本隔离电压高达 300 V，污染等级为 2。ADP1032 的电源和数据通道中的电流隔离可保护系统免受高压瞬变的影响，降低接地回路的噪声，并创造人身安全。

图 6：ADP1032 + AD74413R 软件可配置 I/O 系统稳健性（来源：Analog Devices, Inc.）

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，余量大于 6dB，如图 7所示。

图 7：AD74413R + ADP1032 辐射发射通过 CISPR B 类（来源：Analog Devices, Inc.）

功耗

拥有灵活的多通道系统会在系统功耗方面进行权衡，因为 AD74413R 的软件可配置 I/O 的每个通道都可以配置为各种模式，而 AD74413R 的电源则保持单一输出电压。设计人员必须选择最高的 AD74413R AVDD 电源电压，以便它能够支持最坏情况，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、负载电阻为 600 Ω、输入电流范围高达 20 mA 的用例。这意味着螺钉端子上的最大输出电压为 12 V。根据 AD74413R 数据表，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 AD74413R 在电流输出模式下所需的最小 AVDD 电源。对于其他输入和输出模式，应进行相同的 AVDD 电源电压计算，并且必须将得到的最高 AVDD 电压用作 ADP1032 VOUT1 的输出。

图 8：ADP1032 + AD74413 黑盒插图（来源：Analog Devices, Inc.）

ADP1032 + AD74413R 的系统功耗可以通过将整个系统视为一个黑匣子来计算，只需从提供给系统的输入功率 (PIN) 中减去提供给负载的输出功率 (POUT)，如图 8所示。系统功耗将包括 ADP1032 电源转换的损耗、AD74413R 静态电流、数字通道隔离器的静态电流以及 AD74413R 输出路径中的损耗，尤其是所需的裕量。

图 9显示了 AD74413R 的所有四个通道配置为相同的工作模式和相同的负载特性时的系统功耗。在本示例中，为 AD74413R AVDD 供电的 ADP1032 VOUT1 输出设置为 16.6 V，假设支持具有预定义负载以及输入和输出条件的所有不同工作模式。ADP1032 的输入电源为 24 V。电流输出模式下的系统功耗更差，对于满量程输出工作的四个通道，其功耗仍低于 1 W，如图 9所示。功耗受 AD74413R 的输入和输出电平以及负载的影响很大。

图 9：不同工作模式和负载的 AD74413R + ADP1032 系统功耗（所有四个通道配置相同），ADP1032 输入电源 = 24 V（来源：Analog Devices, Inc.）

选择 ADP1032 (VINP) 的输入电源时必须小心。ADP1032 VINP 的选择将决定提供给 AD74413R 的 ADP1032 的最大输出电流。图 10显示了 ADP1032 在整个 VINP 范围内的各种 VOUT1 设置的最大输出电流。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的情况下，所有四个通道都在驱动 20 mA 的最大输出电流。

图 10：ADP1032 VOUT1 在输入电源电压范围内的各种输出电压下的最大输出电流（来源：Analog Devices, Inc.）

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项挑战，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 相结合，填补了支持以太网的现场仪器的空白。

AD74413R 的四个通道非常灵活，每个通道都可以编程为八个 I/O 配置。它的故障检测和诊断功能可以节省系统调试和调试期间的时间。诊断功能还可用于监控系统进行维护。最后，ADP1032 对数据和电源进行电隔离，确保电源和数据的安全高效传输。

　　审核编辑：汤梓红