當(dāng)工業(yè)4.0浪潮席卷而來(lái)，智能傳感器在工廠環(huán)境中日益普及。廣泛運(yùn)用的傳感器正帶來(lái)一個(gè)重要改變，即要在舊款控制器內(nèi)處理很多IO，包含數(shù)字IO或模擬IO。由此，構(gòu)建可控尺度和熱量的高密度IO模塊成為要害。本文中ADI將重點(diǎn)介紹數(shù)字IO。

一般，PLC中的數(shù)字IO由分立式器材，例如電阻/電容或有獨(dú)立FET驅(qū)動(dòng)組成。為了盡可能減小控制器的尺度，并且要求能夠處理2到4倍的通道數(shù)，這些都促進(jìn)從分立式計(jì)劃向集成式計(jì)劃改變。

此外，分立式辦法存在許多缺陷，尤其是每個(gè)模塊處理的通道數(shù)到達(dá)8個(gè)或以上的情況。實(shí)際上，只需說(shuō)到高熱量/功耗、數(shù)量巨大的分立式組件(從尺度和均勻毛病間隔時(shí)間(MTBF)視點(diǎn))，以及需求牢靠的體系標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，都足以闡明分立式辦法并不可行。

圖1顯示在構(gòu)建高密度數(shù)字輸入(DI)和數(shù)字輸出(DO)模塊時(shí)面對(duì)的技術(shù)應(yīng)戰(zhàn)。在DI和DO體系中，都需求考慮尺度和散熱問(wèn)題。

關(guān)于數(shù)字輸入，還需注意它支撐不同的輸入類型，包含1/2/3類型的輸入，以及在某些情況下，支撐24V和48V輸入。在一切情況下，牢靠的作業(yè)特性都非常重要，乃至斷路檢測(cè)也至關(guān)重要。

關(guān)于數(shù)字輸出，體系運(yùn)用不同的FET裝備來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。驅(qū)動(dòng)電流的精度一般是一個(gè)重要的考量要素。在許多情況下，確診也有必要考量。

下面將討論集成處理計(jì)劃如何協(xié)助處理其間一些應(yīng)戰(zhàn)。

規(guī)劃高通道密度數(shù)字輸入模塊

傳統(tǒng)的分立式規(guī)劃運(yùn)用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)將24V/48V信號(hào)轉(zhuǎn)換為微控制器能夠運(yùn)用的信號(hào)。前端也能夠運(yùn)用分立式RC濾波器。假如需求隔離，有時(shí)會(huì)運(yùn)用外部光耦合器。

這種類型的規(guī)劃適合必定數(shù)量的數(shù)字輸入，即每個(gè)板4到8個(gè)。超越這個(gè)數(shù)字，這種規(guī)劃很快會(huì)變得不實(shí)用。此種分立式計(jì)劃會(huì)帶來(lái)各種問(wèn)題，包含：

高功耗和相關(guān)的板高溫點(diǎn)。

每個(gè)通道需求一個(gè)光耦合器。

部件過(guò)多會(huì)導(dǎo)致FIT率低，乃至需求更大的器材。

更重要的是，分立式規(guī)劃辦法意味著輸入電流隨輸入電壓呈線性添加。假設(shè)采用一個(gè)2.2K?輸入電阻和24V VIN。當(dāng)輸入為1.例如，在24V時(shí)，輸入電流為11mA，相當(dāng)于功耗為264mW。8通道模塊的功耗大于2W，32通道模塊的功耗大于8W。拜見(jiàn)下方的圖3：

單從散熱視點(diǎn)，這個(gè)分立式規(guī)劃無(wú)法支撐單個(gè)板上的多個(gè)通道。

集成式數(shù)字輸入規(guī)劃的最大優(yōu)勢(shì)之一在于明顯下降功耗，然后減少散熱。大多數(shù)集成式數(shù)字輸入器材允許可裝備的輸入電流約束，以明顯下降功耗。

當(dāng)限流值設(shè)置為2.6mA時(shí)，功耗明顯下降，每個(gè)通道約為60mW。8通道數(shù)字輸入模塊的額定值現(xiàn)在能夠設(shè)置為低于0.5瓦，如下方的圖4所示：

反對(duì)運(yùn)用分立式邏輯規(guī)劃的另一個(gè)原因是：有時(shí)DI模塊有必要支撐不同類型的輸入。IEC發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)24V數(shù)字輸入標(biāo)準(zhǔn)分為1型、2型和3型。1型和3型一般組合運(yùn)用，由于其電流和閾值限值都非常類似。2型具有6mA限流值，要更高一些。采用分立式辦法時(shí)，可能需求從頭規(guī)劃，由于大部分分立值都需求更新。

集成式數(shù)字輸入產(chǎn)品一般支撐一切這三種類型。從實(shí)質(zhì)看，1型和3型一般遭到集成式數(shù)字輸入器材支撐。但是，為了滿意2型輸入最低6mA的電流要求，需求針對(duì)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸入并聯(lián)運(yùn)用兩個(gè)通道。而且只調(diào)理限流值電阻。這需求進(jìn)行電路板改變，但改變很小。

例如，當(dāng)時(shí)ADI的DI器材限流值為3.5mA/通道。所以，如圖所示，當(dāng)并聯(lián)運(yùn)用兩個(gè)通道，假如體系有必要接入2型輸入，則需調(diào)理REFDI電阻和RIN電阻。關(guān)于一些較新的部件，也能夠運(yùn)用引腳或經(jīng)過(guò)軟件來(lái)挑選電流值。

要支撐48V數(shù)字輸入信號(hào)(不是常見(jiàn)要求)，需求運(yùn)用類似流程，有必要添加一個(gè)外部電阻來(lái)調(diào)理現(xiàn)場(chǎng)一端的電壓閾值。設(shè)置此外部電阻的值，使得引腳的“限流值*R 閾值”，需滿意現(xiàn)場(chǎng)一端的電壓閾值標(biāo)準(zhǔn)(拜見(jiàn)器材數(shù)據(jù)手冊(cè))。

最終，由于數(shù)字輸入模塊與傳感器銜接，因此規(guī)劃有必要契合牢靠的作業(yè)特性要求。當(dāng)運(yùn)用分立式計(jì)劃時(shí)，有必要細(xì)心規(guī)劃這些維護(hù)功用。挑選集成式數(shù)字輸入器材時(shí)，保證根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)以下各項(xiàng)：

寬輸入電壓規(guī)模(例如，高達(dá)40V)。

能夠運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)電源(7V至65V)。

能夠承受高ESD(?15kV ESD氣隙)和浪涌(一般為1KV)。

供給過(guò)電壓和過(guò)溫確診也非常有用，以便MCU采取合適的操作。

規(guī)劃高通道密度數(shù)字輸出模塊

典型的分立式數(shù)字輸出規(guī)劃具有一個(gè)帶驅(qū)動(dòng)電路的FET，由微控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。能夠運(yùn)用不同的辦法來(lái)裝備FET，以驅(qū)動(dòng)微控制器。

高端負(fù)載開(kāi)關(guān)的界說(shuō)是：它由外部使能信號(hào)控制，并銜接或斷開(kāi)電源與給定負(fù)載的銜接。與低端負(fù)載開(kāi)關(guān)相比，高端開(kāi)關(guān)為負(fù)載供給電流，而低端開(kāi)關(guān)銜接或斷開(kāi)負(fù)載的接地銜接，從負(fù)載獲取電流。盡管它們都運(yùn)用單個(gè)FET，但低端開(kāi)關(guān)的問(wèn)題在于：負(fù)載與接地之間可能短路。高端開(kāi)關(guān)維護(hù)負(fù)載，避免接地短路。但是低端開(kāi)關(guān)的完成本錢更低。有時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器也裝備為推挽開(kāi)關(guān)，需求兩個(gè)MOSFET。拜見(jiàn)下方的圖6：

集成式DO器材能夠?qū)⒍鄠€(gè)DO通道集成到單個(gè)器材中。由于高端、低端和推挽開(kāi)關(guān)運(yùn)用的FET裝備不同，因此可運(yùn)用不同的器材來(lái)完成每種類型的輸出驅(qū)動(dòng)器。

理性負(fù)載的內(nèi)置消磁

集成式數(shù)字輸出器材的要害優(yōu)勢(shì)之一是器材自身內(nèi)置理性負(fù)載消磁功用。

理性負(fù)載是任何包含線圈的器材，在通電后，一般執(zhí)行一些機(jī)械作業(yè)，例如電磁閥、電機(jī)和執(zhí)行器。電流引起的磁場(chǎng)能夠移動(dòng)繼電器或接觸器中的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，以操作電磁閥，或旋轉(zhuǎn)電機(jī)的軸。大多數(shù)情況下，工程師運(yùn)用高端開(kāi)關(guān)來(lái)控制理性負(fù)載，應(yīng)戰(zhàn)在于，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電流不再流入負(fù)載時(shí)，如何給電感放電。不妥放電導(dǎo)致的負(fù)面影響包含：繼電器觸點(diǎn)可能拉弧、很大的負(fù)電壓尖峰損壞靈敏型IC，以及產(chǎn)生高頻噪聲或EMI，進(jìn)而影響體系性能。

在分立式計(jì)劃中，對(duì)理性負(fù)載進(jìn)行放電的最常見(jiàn)處理計(jì)劃就是運(yùn)用續(xù)流二極管。在本電路中，當(dāng)開(kāi)封閉合時(shí)，二極管被反向偏置且不導(dǎo)電。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，經(jīng)過(guò)電感的負(fù)電源電壓會(huì)使二極管正向偏置，然后經(jīng)過(guò)引導(dǎo)電流經(jīng)過(guò)二極管的方法使存儲(chǔ)能量衰減，直至到達(dá)安穩(wěn)狀況且電流為零。

關(guān)于許多應(yīng)用，特別是工業(yè)行業(yè)中每個(gè)IO卡具有多個(gè)輸出通道的應(yīng)用，該二極管一般尺度很大，會(huì)導(dǎo)致本錢和規(guī)劃尺度大幅添加。

現(xiàn)代數(shù)字輸出器材運(yùn)用一種主動(dòng)箝位電路在器材內(nèi)完成這一功用。例如，ADI采用一項(xiàng)已獲專利的安全消磁(SafeDemagTM)功用，允許數(shù)字輸出器材在不受電感約束的情況下安全封閉負(fù)載。如需更多概況，請(qǐng)點(diǎn)此訪問(wèn)網(wǎng)站檢查應(yīng)用筆記。

在挑選數(shù)字輸出器材時(shí)，需求考慮多個(gè)重要要素。應(yīng)細(xì)心考慮數(shù)據(jù)手冊(cè)中的以下標(biāo)準(zhǔn)：

檢查最大連續(xù)電流額定值，并保證在需求時(shí)能夠并聯(lián)多個(gè)輸出，以取得更高電流的驅(qū)動(dòng)器。

保證輸出器材能驅(qū)動(dòng)多個(gè)高電流通道(超越溫度規(guī)模)。參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，保證導(dǎo)通電阻、電源電流和熱電阻值盡可能低。

輸出電流驅(qū)動(dòng)精度標(biāo)準(zhǔn)也很重要。

要從一些超出規(guī)模的作業(yè)條件下康復(fù)，確診信息就非常重要。首先，希望獲取每個(gè)輸出通道的確診信息。其間包含溫度、過(guò)電流、開(kāi)路和短路。從全體(芯片)來(lái)看，重要確診包含熱關(guān)斷、VDD欠壓和SPI確診。在集成式數(shù)字輸出器材中查找部分或一切這些確診。

可編程數(shù)字輸入/輸出器材

經(jīng)過(guò)在IC上集成DI和DO，就能構(gòu)建可裝備產(chǎn)品。這是一個(gè)4通道產(chǎn)品示例，能夠裝備為輸入或輸出。

它有一個(gè)DIO內(nèi)核，這意味著能夠在高端或推挽形式下將單個(gè)通道裝備為DI(1/3型或2型)或數(shù)字輸出。DO上的限流值能夠設(shè)置為130mA至1.2A。內(nèi)置消磁功用。要在1/3型或2型數(shù)字輸入之間切換，則只需設(shè)置一個(gè)引腳，無(wú)需運(yùn)用外部電阻。

這些器材不只易于裝備，而且堅(jiān)固耐用，可在工業(yè)環(huán)境中作業(yè)。這意味著高ESD，供給高達(dá)60V的電源電壓維護(hù)和線路接地浪涌維護(hù)。

由此可見(jiàn)，這是一個(gè)可經(jīng)過(guò)集成式辦法來(lái)完成更多可能(可裝備的DI/DO模塊)的示例。

結(jié)論

當(dāng)規(guī)劃高密度數(shù)字輸入或輸出模塊時(shí)，一旦通道密度超越必定數(shù)量，分立式計(jì)劃就變得毫無(wú)意義。從散熱、牢靠性和尺度方面考慮，有必要細(xì)心考慮集成式器材選項(xiàng)。

而在挑選集成式DI或DO器材時(shí)，則有必要注意一些重要的數(shù)據(jù)要點(diǎn)，包含牢靠的作業(yè)特性、確診、支撐多種輸入-輸出裝備。