本文介绍一种软体可配置输入/输出（I/O）元件及其专用隔离电源和数据解决方案，该解决方案有助於因应传统类比讯号与工业乙太网路的桥接挑战；并说明软体可配置I/O元件固有的通道弹性、故障检测和诊断功能方面的优势，以及提供系统级评估结果。

工业乙太网路的进步使得工厂的智慧互联制造成为可能。现场仪器仪表必须使用传统类比讯号（即4至20 mA、0 V至10 V）连接到乙太网域。这对固定功能的I/O模组提出了挑战。系统设计人员需要设计多个模组来覆盖不同的感测器和执行器。然而固定功能模组中的某些通道可能未被使用，成为多馀通道。

软体可配置I/O模组支援有效使用I/O系统中的所有通道。拥挤的布线可能导致感测器和执行器与这些固定功能I/O的连接不正确，侦错和排除这些故障非常耗时，并且需要手动将负载重新连接到I/O通道。

软体可配置I/O系统提供从传统类比讯号到工业乙太网域的无缝转换。软体可配置I/O元件可透过远端配置，在任意通道上提供任意功能（类比I/O、数位I/O、RTD），有助於简化侦错。如此弹性与诊断功能相互结合，支援远端故障排除，从而节省技术人员的时间和精力。图1显示了工业连接从传统类比讯号到智慧数位连接感测器的演变，而软体可配置I/O支援无缝转换。

图1 : 软体可配置I/O将传统元件桥接到乙太网

ADI AD74413R软体可配置I/O与ADP1032 二通道隔离式微功耗管理单元（μPMU）的结合，为稳健的软体可配置I/O解决方案范例之一。AD74413R为一款四通道软体可配置I/O，具备自动故障检测和诊断功能。ADP1032专为AD74413R量身订作，提供隔离电源和数据通道，从而实现精巧型隔离式软体可配置I/O系统。

通道弹性

对於I/O要求各异的不同工业应用，系统设计人员需要一种支援快速配置以适应需求的弹性系统。AD74413R的四个通道可 置为不同输入和输出模式，例如：

· 高阻抗

· 电压输入

· 电压输出

· 外部供电的电流输入

· ??路供电的电流输入

· 电流输出

· 数位输入逻辑

· ??路供电的数位输入

· RTD测量

透过一组外部分立元件支援四个通道中任一通道的任何功能，将可提供充分弹性。如果执行器或感测器接线错误，可利用单个SPI重新配置该通道。

在单一封装中提供所有功能可减少硬体设计的元件需求，进而提供下列优点：

· 装配和测试成本更低

· 可靠性更高，侦错更轻松

· 简化采购工作

· 相较於通用I/O的分立式方案，通道密度更高

图2显示了支援AD74413R所有功能所需的外部元件，无论连接的负载为何。

图2 : AD74413R及支援所有功能所需的外部元件

故障检测和诊断功能

AD74413R具备自动故障检测和多种诊断功能，有助於定位故障。在故障情况下，ALERT接脚置为有效，可用来中断微控制器。然後，使用者可查询警报暂存器以确定故障的确切原因。使用者还可以致能诊断讯号以进一步诊断所识别的故障。

图3 : 软体可配置I/O故障检测

AD74413R可检测到如下故障：

· 复位

· 校准记忆体错误

· SPI CRC错误

· ADC错误

· 电源错误

· 温度错误

· 开路/短路错误

这些功能允许使用者远端排除系统中发生的任何故障。在现有许多系统中，感测器和执行器可能位於远离控制室的潜在危险区域。此外，拥挤的布线也可能导致难以确定哪些电缆连线到哪个感测器或执行器，使得这些系统的重新接线成本高昂且耗时。AD74413R模组提供可配置能力和诊断功能，可确定哪个感测器或执行器连接到哪个特定通道。

隔离电源和数据解决方案

分立式方案

AD74413R的分立式隔离电源解决方案需要多个元件，如图4所示。使用单独的隔离器来提供电源和数据隔离。元件数量增加带来了电路板面积较大的问题。

图4 : AD74413R分立电源解决方案架构图

ADP1032解决方案

图5显示了由ADP1032供电的AD74413R的架构图。ADP1032有两个隔离稳压轨和七个资料隔离通道，这些全都在一个封装中，可满足隔离电源和数据通道的要求。相较於分立式电源和资料隔离解决方案，上述方案的电路板面积减少约3倍，因此使客户可提高模组整体通道密度。

AD74413R的四个SPI讯号使用ADP1032的高速隔离数据通道，这些通道经过优化，提供15 ns的低传播延迟，支援高达16.6 MHz的SPI时脉速率。在时序要求不那麽严格的地方使用低速隔离资料通道，如LDAC、RESET和ALERT讯号。

图5 : 由ADP1032供电的AD74413R架构图

系统可靠性

AD74413R系统解决方案能够在恶劣的工业环境中保持稳健，并提供以下的保护特性：

· 螺丝端子上的TVS（用於防止涌浪事件）

· 面朝螺丝端子的接脚可承受±50 V DC及更高的电压（针对瞬态事件）

· 在接线错误的情况下，无法从螺丝端子向元件供电

SPI CRC和SCLK计数特性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，并隔离四个SPI讯号和三个GPIO讯号的数据。对於二级污染，ADP1032提供高达300 V的基本隔离。ADP1032的电源和数据通道的电气隔离保护系统免受高压瞬变的影响，降低接地??路的杂讯，并确保人身安全。

图6 : ADP1032 + AD74413R软体可配置I/O系统的稳健性

ADP1032和AD74413R作为一个完整系统进行测量和验证，符合CISPR11 B类电磁辐射骚扰水准，馀裕大於6 dB，如图7所示。

图7 : AD74413R + ADP1032电磁辐射骚扰通过CISPR Class-B

功耗

弹性的多通道系统要求权衡系统功耗，因为AD74413R软体可配置I/O的每个通道都可以配置为不同模式，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 AV_DD电源电压，以便在考虑所需电压馀裕和负载特性的情况下支援最坏使用场景，确保每种模式都能正常运作。考虑AD74413R处於电流输出模式、负载电阻为600 Ω、输入电流范围高达20 mA的使用场景，表示螺丝端子上的最大输出电压为12 V。

根据AD74413R电流输出模式所需的馀裕电压为4.6 V。将馀裕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AV_DD电源电压。对於其他输入和输出模式，应进行相同的AV_DD电源电压计算，并且必须将得到的最高AV_DD电压用作ADP1032 V_OUT1的输出。

为了计算ADP1032 + AD74413R的系统功耗，可以将整个系统视为一个黑盒，然後从提供给系统的输入功率（P_IN）中减去提供给负载的输出功率（P_OUT）即可，如图8所示。

系统功耗包括ADP1032电源转换的损耗、AD74413R静态电流、数位通道隔离器的静态电流以及AD74413R输出路径中的损耗（尤其是所需的馀裕）。图9显示AD74413R的所有四个通道配置为相同工作模式和相同负载特性时的系统功耗。

在本例中，为AD74413R AV_DD供电的ADP1032 V_OUT1输出设定为16.6 V，假设支援所有不同工作模式以及预定义的负载和输入输出条件。ADP1032的输入电源为24 V。电流输出模式的系统功耗更差，但在四个通道以满量程输出工作时，功耗仍小於1 W，如图9所示。功耗受AD74413R的输入和输出位准，以及负载的影响很大。

图8 : ADP1032 + AD74413黑盒示意图

图9 : AD74413R + ADP1032系统针对不同工作模式和负载的功耗（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（V_INP）时须谨慎。ADP1032 V_INP的选择将决定提供给AD74413R的ADP1032最大输出电流。图10显示了在整个V_INP范围内，ADP1032对於各种V_OUT1设定的最大输出电流。为ADP1032选择的输入电源必须能够支援AD74413R在较差情况下的电流需求，例如在输出电流模式下，所有四个通道都驱动20 mA的最大输出电流时。

图10 : 在整个输入电源电压范围内，ADP1032 VOUT1在不同输出电压下的最大输出电流

结论

工厂数位化提高了产量、工厂利用率和劳动生产率。然而，向数位化工厂的转换并非易事，因为传统系统缺乏支援10BASE-T1L的感测器和执行器。

AD74413R软体可配置I/O与ADP1032相结合，填补了支援乙太网路的现场仪器仪表的空缺。AD74413R的四个通道非常弹性，每个通道都可以编程为八种不同的I/O配置，其故障检测和诊断功能可节省除错和系统测试的时间。诊断功能还可用於监视系统以进行维护。最後，ADP1032对数据和电源并能进行电气隔离，确保电源和数据安全高效传输。

（本文作者Bien Javier¹、Jefferson Eco²为ADI公司¹产品应用工程师和²应用开发工程师）

叁考电路

[1] Barry Misthal、Reinhard Geissbauer、Jesper Vedso和Stefan Schrauf。「工业4.0：打造数位化企业」 。PwC，2016年。

[2] Brendan O'Dowd。「10BASE-T1L：将大数据分析范围扩大到工厂网路边缘」 。ADI，2020年。

[3] Maurice O'Brien和Volker E. Goller。「透过10BASE-T1L连接实现无缝现场乙太网路」 。ADI，2021年。

[4] Hakan Uenlue。「软体可配置硬体如何协助实现工业I/O模组的弹性」 。ADI，2021年。