【導讀】隨著(zhù)現代工業(yè)網(wǎng)絡(luò )逐步支持先進(jìn)協(xié)議，工廠(chǎng)車(chē)間的傳感器實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監控和配置成為可能，令生產(chǎn)停機時(shí)間大幅縮短。不過(guò)，將傳感器和執行器連接至安裝了進(jìn)程控制器的接線(xiàn)柜，卻仍是一項人工密集型工作，非常繁瑣。
比如修改生產(chǎn)工藝，需要將數字輸出(DO)電壓驅動(dòng)的閥門(mén)改為使用4-20mA模擬輸出(AO)電流的閥門(mén)，技術(shù)人員必須在接線(xiàn)柜中改線(xiàn)。通過(guò)將線(xiàn)路接至不同的IO模塊，或者更換IO卡（如果使用機架式模塊的話(huà)），將閥門(mén)連接從DO通道移到AO通道。如果數字輸入(DI)傳感器必須換成模擬輸入(AI)，也會(huì )出現類(lèi)似情況。
雖然自動(dòng)化工程師會(huì )在新工藝的調試階段選擇IO模塊，便于擁有足夠的通道（允許一定冗余），但隨著(zhù)時(shí)間推移，不斷增加的傳感器和執行器意味著(zhù)可用的備用通道越來(lái)越少，可能導致沒(méi)有足夠的特定類(lèi)型通道來(lái)應對后續升級改造。如果沒(méi)有可用的AI通道，那么備用DI對需要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(xiàn)路密集的接線(xiàn)柜內，甚至可能無(wú)法添加一個(gè)新的（且成本高昂的）IO模塊。當不同的IO通道類(lèi)型需要定期重新校準時(shí)，手動(dòng)干預和相關(guān)的生產(chǎn)停機時(shí)間會(huì )大幅增加。
圖1.技術(shù)人員在配線(xiàn)柜調整連接
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，可以遠程配置（和校準），方便執行任何信號類(lèi)型（模擬或數字）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(xiàn)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行器信號的主要特性，并向您介紹一種新的參考設計——使用經(jīng)出廠(chǎng)校準、可遠程配置的通用IO模塊，來(lái)切實(shí)提升接線(xiàn)柜的工作效率，加速推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程。
數字IO
DI和DO信號通常是0-24V范圍內的直流電壓。DI用于檢測離散液位、目標檢測或指示按鈕開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。DO用于驅動(dòng)電機、執行器和電磁閥。這些產(chǎn)品提供多種配置（高端、低端和推挽），具體取決于負載的參考方式，驅動(dòng)電流是主要規格參數，范圍從數百毫安到數安不等。
模擬IO
模擬IO信號可以是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和更寬的電壓范圍）。AI接收來(lái)自傳感器的信號，用于精確測量距離、壓力、光線(xiàn)等量值，而AO則用于精確控制執行器的移動(dòng)和位置。
溫度
在工業(yè)環(huán)境中，溫度測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(xiàn)和4線(xiàn)變體的電阻-溫度檢測器(RTD)。與RTD相比，熱電偶堅固耐用、工作溫度范圍更寬、成本相對較低，但RTD更穩定、精度更高、線(xiàn)性度更好。信號輸出水平取決于所用的TC/RTD類(lèi)型，并且可以連接到AI通道。穩健性（以符合IEC-61000-4瞬態(tài)抗擾度標準來(lái)體現）是所有類(lèi)型工業(yè)IO接口的關(guān)鍵性能指標。
通用IO模塊參考設計
集成度提高意味著(zhù)在最新的IO模塊中，單個(gè)通道可以配置為輸入或輸出，但模擬域和數字域仍然是分開(kāi)的。不過(guò)，圖2展示了一種新型IO模塊的參考設計功能圖，其中可通過(guò)軟件，將單個(gè)通用UIO引腳配置為相對于單個(gè)接地引腳(GND)的AI、AO、DI、DO?？膳渲媚Ｊ桨M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型標準的0-24V數字電壓輸入和一個(gè)推挽/高端數字輸出（能夠驅動(dòng)高達1.3A的電流）。同時(shí)它還支持使用電阻溫度檢測器(RTD)進(jìn)行溫度測量，并為熱電偶測量提供內置冷端補償。使用行業(yè)標準的四路PCB端子支持UIO模式以及2線(xiàn)、3線(xiàn)或4線(xiàn)溫度測量。
此模塊的AI和AO功能使用MAX22000來(lái)實(shí)現。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。模擬輸出信號使用其內部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。MAX14914A是一個(gè)高端/推挽驅動(dòng)器，也可以配置作為DI運行。除了提供DIO功能外，MAX14914A還可監控高端和推挽模式下的輸出電流。與DO狀態(tài)相對應的邏輯電平可以通過(guò)MAX22000 GPIO上的GPIO進(jìn)行輪詢(xún)，這是安全關(guān)鍵型應用中的必要功能。
圖2.MAXREFDES185#通用IO模塊參考設計功能圖
軟件配置
此模塊使用在很多微控制器和FPGA平臺上常用的行業(yè)標準型12路Pmod?連接器。為了便于測試，可以通過(guò)軟件GUI使用USB轉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)選項卡--通用IO選項卡（圖3）有一個(gè)下拉菜單，可選擇模擬或數字、輸入或輸出配置。根據選擇的模式，GUI會(huì )顯示一個(gè)簡(jiǎn)化的IC內部連接方框圖，可啟用當前選擇的功能。
注：Pmod?是Diligent，Inc.的商標。
圖3.GUI的通用IO選項卡
模擬輸入選項卡可用于監測目的，將UIO引腳的電壓或電流信號與12通道、24位模擬輸入器件MAX22005測得的信號進(jìn)行直觀(guān)比較。此外還提供十六進(jìn)制值，以便將兩個(gè)ADC內核輕松關(guān)聯(lián)。
校準
此模塊的一個(gè)主要優(yōu)勢是可以使用板載MAX22005進(jìn)行電壓和電流校準。MAX22005是一個(gè)12通道、出廠(chǎng)校準的模擬輸入IC，可用作參考，還可監測UIO引腳上的模擬信號。它經(jīng)過(guò)出廠(chǎng)校準，25°C時(shí)精度達到0.02% FSR，±50°C時(shí)為0.05% FSR。在GUI的Universal IO選項卡上單擊"Autocal"即可執行校準。圖4顯示了UIO引腳和MAX22005上模擬電壓信號的FSR精度，兩者都遠遠優(yōu)于精密儀器預期的0.02% FSR，并表現出高度相關(guān)性。
圖4.電壓測量精度
電流測量也具有類(lèi)似精度，而圖5顯示了使用Fluke 724校準器模擬PT100 RTD傳感器的溫度讀數精度。在-100°C到+300°C之間，精度在1°C以?xún)?，室溫下?.02% FSR以?xún)?。對于?0°C的溫度變化，整個(gè)模塊的總精度達到0.1% FSR。
圖5.溫度測量精度
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(xiàn)性穩壓器和高效降壓轉換器組合來(lái)實(shí)現的。MAX17651的靜態(tài)電流僅為8μA，它從直流輸入提供24V穩壓電源，而MAX17532和MAXM17552降壓轉換器產(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)不同預設值。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。
穩定性
雖然該模塊無(wú)法立即以當前形式轉化到現場(chǎng)應用，但在測試IEC 61131-2中規定的工業(yè)設備瞬態(tài)抗擾度時(shí)，該模塊仍表現出高度的穩定性。它能承受高達±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)行了浪涌測試（線(xiàn)對線(xiàn)和線(xiàn)對地），模塊保持正常運行，沒(méi)有損壞。器件IC上的數據和控制寄存器未損壞，通過(guò)主機適配器的通信也未中斷。在現場(chǎng)連接端子塊上進(jìn)行測試時(shí)，還發(fā)現該模塊能夠承受高達±4kV端口對地的靜電放電（ESD），用于接觸和氣隙放電。未發(fā)現任何損壞，測試后主機通信保持正常。模塊的前視圖（外形尺寸為75mm x 20mm）如圖6所示。
圖6.MAXREFDES185#參考設計
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)標準模塊帶來(lái)的靈活性和節省空間優(yōu)勢。單個(gè)通用IO模塊可以執行四種獨立功能，并通過(guò)軟件進(jìn)行遠程配置和校準，而每個(gè)標準模塊只執行單一功能，并且需要手動(dòng)配置和校準。
圖7.一個(gè)通用IO模塊代替幾個(gè)標準模塊
總結
工業(yè)4.0時(shí)代，要求工業(yè)設備盡可能提高適應性和靈活性。不過(guò)截至目前，手動(dòng)重新布線(xiàn)和校準IO接口，卻成為無(wú)法避免的限制因素?，F在，ADI MAXREFDES185#遠程可配置IO參考設計，能為未來(lái)的IO模塊提供清晰的路線(xiàn)圖，可有效提高靈活性和可配置性。除了IO模塊外，此參考設計及其組件IC同時(shí)也適用于PLC和DCS系統、智能傳感器和執行器中的應用。
關(guān)于A(yíng)DI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計挑戰。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現實(shí)世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶(hù)重新認識周?chē)氖澜?。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Sean Long，是ADI工業(yè)和醫療健康事業(yè)部的應用執行總監。Sean于2012年5月加入Maxim，他擁有英國伯明翰阿斯頓大學(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(zhuān)業(yè)學(xué)院，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。
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