【導(dǎo)讀】隨著現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)逐步支持先進(jìn)協(xié)議，工廠車間的傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和配置成為可能，令生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間大幅縮短。不過(guò)，將傳感器和執(zhí)行器連接至安裝了進(jìn)程控制器的接線柜，卻仍是一項(xiàng)人工密集型工作，非常繁瑣。
比如修改生產(chǎn)工藝，需要將數(shù)字輸出(DO)電壓驅(qū)動(dòng)的閥門改為使用4-20mA模擬輸出(AO)電流的閥門，技術(shù)人員必須在接線柜中改線。通過(guò)將線路接至不同的IO模塊，或者更換IO卡（如果使用機(jī)架式模塊的話），將閥門連接從DO通道移到AO通道。如果數(shù)字輸入(DI)傳感器必須換成模擬輸入(AI)，也會(huì)出現(xiàn)類似情況。
雖然自動(dòng)化工程師會(huì)在新工藝的調(diào)試階段選擇IO模塊，便于擁有足夠的通道（允許一定冗余），但隨著時(shí)間推移，不斷增加的傳感器和執(zhí)行器意味著可用的備用通道越來(lái)越少，可能導(dǎo)致沒(méi)有足夠的特定類型通道來(lái)應(yīng)對(duì)后續(xù)升級(jí)改造。如果沒(méi)有可用的AI通道，那么備用DI對(duì)需要AI通道的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)也沒(méi)多大用處。在一個(gè)線路密集的接線柜內(nèi)，甚至可能無(wú)法添加一個(gè)新的（且成本高昂的）IO模塊。當(dāng)不同的IO通道類型需要定期重新校準(zhǔn)時(shí)，手動(dòng)干預(yù)和相關(guān)的生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間會(huì)大幅增加。
圖1.技術(shù)人員在配線柜調(diào)整連接
因此，工藝自動(dòng)化工程師往往渴望有一個(gè)通用的IO通道，可以遠(yuǎn)程配置（和校準(zhǔn)），方便執(zhí)行任何信號(hào)類型（模擬或數(shù)字）的任何功能（輸入或輸出、電壓或電流），而無(wú)需技術(shù)人員在接線柜中操作。
接下來(lái)，ADI將回顧工業(yè)環(huán)境中使用傳感器和執(zhí)行器信號(hào)的主要特性，并向您介紹一種新的參考設(shè)計(jì)——使用經(jīng)出廠校準(zhǔn)、可遠(yuǎn)程配置的通用IO模塊，來(lái)切實(shí)提升接線柜的工作效率，加速推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程。
數(shù)字IO
DI和DO信號(hào)通常是0-24V范圍內(nèi)的直流電壓。DI用于檢測(cè)離散液位、目標(biāo)檢測(cè)或指示按鈕開關(guān)的狀態(tài)。DO用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、執(zhí)行器和電磁閥。這些產(chǎn)品提供多種配置（高端、低端和推挽），具體取決于負(fù)載的參考方式，驅(qū)動(dòng)電流是主要規(guī)格參數(shù)，范圍從數(shù)百毫安到數(shù)安不等。
模擬IO
模擬IO信號(hào)可以是4-20mA電流，或者通常介于0-10V之間的直流電壓（盡管可使用雙極選項(xiàng)和更寬的電壓范圍）。AI接收來(lái)自傳感器的信號(hào)，用于精確測(cè)量距離、壓力、光線等量值，而AO則用于精確控制執(zhí)行器的移動(dòng)和位置。
溫度
在工業(yè)環(huán)境中，溫度測(cè)量主要使用兩種傳感器中的一種來(lái)進(jìn)行，分別是熱電偶(TC)或具有2-3線和4線變體的電阻-溫度檢測(cè)器(RTD)。與RTD相比，熱電偶堅(jiān)固耐用、工作溫度范圍更寬、成本相對(duì)較低，但RTD更穩(wěn)定、精度更高、線性度更好。信號(hào)輸出水平取決于所用的TC/RTD類型，并且可以連接到AI通道。穩(wěn)健性（以符合IEC-61000-4瞬態(tài)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)體現(xiàn)）是所有類型工業(yè)IO接口的關(guān)鍵性能指標(biāo)。
通用IO模塊參考設(shè)計(jì)
集成度提高意味著在最新的IO模塊中，單個(gè)通道可以配置為輸入或輸出，但模擬域和數(shù)字域仍然是分開的。不過(guò)，圖2展示了一種新型IO模塊的參考設(shè)計(jì)功能圖，其中可通過(guò)軟件，將單個(gè)通用UIO引腳配置為相對(duì)于單個(gè)接地引腳(GND)的AI、AO、DI、DO。可配置模式包括模擬電壓輸入（0至+10V）、模擬電流輸入（0至+20mA）、模擬電壓輸出（0至+10V）和模擬電流輸出（0至+20mA）。它還包括一個(gè)符合IEC 61131-2的1/2/3型標(biāo)準(zhǔn)的0-24V數(shù)字電壓輸入和一個(gè)推挽/高端數(shù)字輸出（能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)1.3A的電流）。同時(shí)它還支持使用電阻溫度檢測(cè)器(RTD)進(jìn)行溫度測(cè)量，并為熱電偶測(cè)量提供內(nèi)置冷端補(bǔ)償。使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四路PCB端子支持UIO模式以及2線、3線或4線溫度測(cè)量。
此模塊的AI和AO功能使用MAX22000來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX22000是一種可通過(guò)軟件配置的模擬輸入/輸出IC，可在電壓或電流模式下工作。模擬輸出信號(hào)使用其內(nèi)部18位DAC生成，而集成的24位ADC有一個(gè)低噪聲PGA，具有高壓和低壓輸入范圍，用于支持RTD測(cè)量。DI和DO功能則使用支持低漏電制程技術(shù)的MAX14914A來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX14914A是一個(gè)高端/推挽驅(qū)動(dòng)器，也可以配置作為DI運(yùn)行。除了提供DIO功能外，MAX14914A還可監(jiān)控高端和推挽模式下的輸出電流。與DO狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的邏輯電平可以通過(guò)MAX22000 GPIO上的GPIO進(jìn)行輪詢，這是安全關(guān)鍵型應(yīng)用中的必要功能。
圖2.MAXREFDES185#通用IO模塊參考設(shè)計(jì)功能圖
軟件配置
此模塊使用在很多微控制器和FPGA平臺(tái)上常用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型12路Pmod?連接器。為了便于測(cè)試，可以通過(guò)軟件GUI使用USB轉(zhuǎn)SPI適配器（如USB2PMB2#）來(lái)配置該模塊，從而為電路板提供物理接口。GUI有兩個(gè)選項(xiàng)卡--通用IO選項(xiàng)卡（圖3）有一個(gè)下拉菜單，可選擇模擬或數(shù)字、輸入或輸出配置。根據(jù)選擇的模式，GUI會(huì)顯示一個(gè)簡(jiǎn)化的IC內(nèi)部連接方框圖，可啟用當(dāng)前選擇的功能。
注：Pmod?是Diligent，Inc.的商標(biāo)。
圖3.GUI的通用IO選項(xiàng)卡
模擬輸入選項(xiàng)卡可用于監(jiān)測(cè)目的，將UIO引腳的電壓或電流信號(hào)與12通道、24位模擬輸入器件MAX22005測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行直觀比較。此外還提供十六進(jìn)制值，以便將兩個(gè)ADC內(nèi)核輕松關(guān)聯(lián)。
校準(zhǔn)
此模塊的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以使用板載MAX22005進(jìn)行電壓和電流校準(zhǔn)。MAX22005是一個(gè)12通道、出廠校準(zhǔn)的模擬輸入IC，可用作參考，還可監(jiān)測(cè)UIO引腳上的模擬信號(hào)。它經(jīng)過(guò)出廠校準(zhǔn)，25°C時(shí)精度達(dá)到0.02% FSR，±50°C時(shí)為0.05% FSR。在GUI的Universal IO選項(xiàng)卡上單擊"Autocal"即可執(zhí)行校準(zhǔn)。圖4顯示了UIO引腳和MAX22005上模擬電壓信號(hào)的FSR精度，兩者都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于精密儀器預(yù)期的0.02% FSR，并表現(xiàn)出高度相關(guān)性。
圖4.電壓測(cè)量精度
電流測(cè)量也具有類似精度，而圖5顯示了使用Fluke 724校準(zhǔn)器模擬PT100 RTD傳感器的溫度讀數(shù)精度。在-100°C到+300°C之間，精度在1°C以內(nèi)，室溫下在0.02% FSR以內(nèi)。對(duì)于±50°C的溫度變化，整個(gè)模塊的總精度達(dá)到0.1% FSR。
圖5.溫度測(cè)量精度
功耗優(yōu)化
功率跟蹤功能可限制模塊的散熱量。這是通過(guò)低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器和高效降壓轉(zhuǎn)換器組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MAX17651的靜態(tài)電流僅為8μA，它從直流輸入提供24V穩(wěn)壓電源，而MAX17532和MAXM17552降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生多個(gè)模擬輸出電源電壓，其中一個(gè)可編程為4.2V至24V之間的五個(gè)不同預(yù)設(shè)值。這通過(guò)MAX22005上的GPIO引腳來(lái)完成，使用外部FET切換反饋電阻。此模塊正常情況下功耗通常為10mA，但如果選擇電流輸入或電流輸出模式，則電流消耗會(huì)增加。綠色LED則顯示出外部電源的存在。
穩(wěn)定性
雖然該模塊無(wú)法立即以當(dāng)前形式轉(zhuǎn)化到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但在測(cè)試IEC 61131-2中規(guī)定的工業(yè)設(shè)備瞬態(tài)抗擾度時(shí)，該模塊仍表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性。它能承受高達(dá)±1.0kV的1.2/50μs浪涌，總源阻抗為42Ω。使用10個(gè)浪涌脈沖進(jìn)行了浪涌測(cè)試（線對(duì)線和線對(duì)地），模塊保持正常運(yùn)行，沒(méi)有損壞。器件IC上的數(shù)據(jù)和控制寄存器未損壞，通過(guò)主機(jī)適配器的通信也未中斷。在現(xiàn)場(chǎng)連接端子塊上進(jìn)行測(cè)試時(shí)，還發(fā)現(xiàn)該模塊能夠承受高達(dá)±4kV端口對(duì)地的靜電放電（ESD），用于接觸和氣隙放電。未發(fā)現(xiàn)任何損壞，測(cè)試后主機(jī)通信保持正常。模塊的前視圖（外形尺寸為75mm x 20mm）如圖6所示。
圖6.MAXREFDES185#參考設(shè)計(jì)
圖7則清楚地展示了選擇單個(gè)通用IO模塊(UIO)代替幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊帶來(lái)的靈活性和節(jié)省空間優(yōu)勢(shì)。單個(gè)通用IO模塊可以執(zhí)行四種獨(dú)立功能，并通過(guò)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和校準(zhǔn)，而每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊只執(zhí)行單一功能，并且需要手動(dòng)配置和校準(zhǔn)。
圖7.一個(gè)通用IO模塊代替幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊
總結(jié)
工業(yè)4.0時(shí)代，要求工業(yè)設(shè)備盡可能提高適應(yīng)性和靈活性。不過(guò)截至目前，手動(dòng)重新布線和校準(zhǔn)IO接口，卻成為無(wú)法避免的限制因素?，F(xiàn)在，ADI MAXREFDES185#遠(yuǎn)程可配置IO參考設(shè)計(jì)，能為未來(lái)的IO模塊提供清晰的路線圖，可有效提高靈活性和可配置性。除了IO模塊外，此參考設(shè)計(jì)及其組件IC同時(shí)也適用于PLC和DCS系統(tǒng)、智能傳感器和執(zhí)行器中的應(yīng)用。
關(guān)于ADI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測(cè)、測(cè)量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識(shí)周圍的世界。詳情請(qǐng)瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Sean Long，是ADI工業(yè)和醫(yī)療健康事業(yè)部的應(yīng)用執(zhí)行總監(jiān)。Sean于2012年5月加入Maxim，他擁有英國(guó)伯明翰阿斯頓大學(xué)電氣和電子工程學(xué)士學(xué)位。
Konrad Scheuer，是ADI資深首席工程師。他2003年畢業(yè)于阿倫高等專業(yè)學(xué)院，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。
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