本文介紹一種軟體可配置輸入/輸出（I/O）元件及其專用隔離電源和數據解決方案，該解決方案有助於因應傳統類比訊號與工業乙太網路的橋接挑戰；並說明軟體可配置I/O元件固有的通道彈性、故障檢測和診斷功能方面的優勢，以及提供系統級評估結果。
工業乙太網路的進步使得工廠的智慧互聯製造成為可能。現場儀器儀表必須使用傳統類比訊號（即4至20 mA、0 V至10 V）連接到乙太網域。這對固定功能的I/O模組提出了挑戰。系統設計人員需要設計多個模組來覆蓋不同的感測器和執行器。然而固定功能模組中的某些通道可能未被使用，成為多餘通道。
軟體可配置I/O模組支援有效使用I/O系統中的所有通道。擁擠的佈線可能導致感測器和執行器與這些固定功能I/O的連接不正確，偵錯和排除這些故障非常耗時，並且需要手動將負載重新連接到I/O通道。
軟體可配置I/O系統提供從傳統類比訊號到工業乙太網域的無縫轉換。軟體可配置I/O元件可透過遠端配置，在任意通道上提供任意功能（類比I/O、數位I/O、RTD），有助於簡化偵錯。如此彈性與診斷功能相互結合，支援遠端故障排除，從而節省技術人員的時間和精力。圖1顯示了工業連接從傳統類比訊號到智慧數位連接感測器的演變，而軟體可配置I/O支援無縫轉換。
ADI AD74413R軟體可配置I/O與ADP1032 二通道隔離式微功耗管理單元（μPMU）的結合，為穩健的軟體可配置I/O解決方案範例之一。AD74413R為一款四通道軟體可配置I/O，具備自動故障檢測和診斷功能。ADP1032專為AD74413R量身訂作，提供隔離電源和數據通道，從而實現精巧型隔離式軟體可配置I/O系統。
通道彈性
對於I/O要求各異的不同工業應用，系統設計人員需要一種支援快速配置以適應需求的彈性系統。AD74413R的四個通道可 置為不同輸入和輸出模式，例如：
? 高阻抗
? 電壓輸入
? 電壓輸出
? 外部供電的電流輸入
? 迴路供電的電流輸入
? 電流輸出
? 數位輸入邏輯
? 迴路供電的數位輸入
? RTD測量
透過一組外部分立元件支援四個通道中任一通道的任何功能，將可提供充分彈性。如果執行器或感測器接線錯誤，可利用單個SPI重新配置該通道。
在單一封裝中提供所有功能可減少硬體設計的元件需求，進而提供下列優點：
? 裝配和測試成本更低
? 可靠性更高，偵錯更輕鬆
? 簡化採購工作
? 相較於通用I/O的分立式方案，通道密度更高
圖2顯示了支援AD74413R所有功能所需的外部元件，無論連接的負載為何。
| 圖2 : AD74413R及支援所有功能所需的外部元件 |
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故障檢測和診斷功能
AD74413R具備自動故障檢測和多種診斷功能，有助於定位故障。在故障情況下，ALERT接腳置為有效，可用來中斷微控制器。然後，使用者可查詢警報暫存器以確定故障的確切原因。使用者還可以致能診斷訊號以進一步診斷所識別的故障。
AD74413R可檢測到如下故障：
? 復位
? 校準記憶體錯誤
? SPI CRC錯誤
? ADC錯誤
? 電源錯誤
? 溫度錯誤
? 開路/短路錯誤
這些功能允許使用者遠端排除系統中發生的任何故障。在現有許多系統中，感測器和執行器可能位於遠離控制室的潛在危險區域。此外，擁擠的佈線也可能導致難以確定哪些電纜連線到哪個感測器或執行器，使得這些系統的重新接線成本高昂且耗時。AD74413R模組提供可配置能力和診斷功能，可確定哪個感測器或執行器連接到哪個特定通道。
隔離電源和數據解決方案
分立式方案
AD74413R的分立式隔離電源解決方案需要多個元件，如圖4所示。使用單獨的隔離器來提供電源和數據隔離。元件數量增加帶來了電路板面積較大的問題。
ADP1032解決方案
圖5顯示了由ADP1032供電的AD74413R的架構圖。ADP1032有兩個隔離穩壓軌和七個資料隔離通道，這些全都在一個封裝中，可滿足隔離電源和數據通道的要求。相較於分立式電源和資料隔離解決方案，上述方案的電路板面積減少約3倍，因此使客戶可提高模組整體通道密度。
AD74413R的四個SPI訊號使用ADP1032的高速隔離數據通道，這些通道經過優化，提供15 ns的低傳播延遲，支援高達16.6 MHz的SPI時脈速率。在時序要求不那麼嚴格的地方使用低速隔離資料通道，如LDAC、RESET和ALERT訊號。
| 圖5 : 由ADP1032供電的AD74413R架構圖 |
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系統可靠性
AD74413R系統解決方案能夠在惡劣的工業環境中保持穩健，並提供以下的保護特性：
? 螺絲端子上的TVS（用於防止湧浪事件）
? 面朝螺絲端子的接腳可承受±50 V DC50 V DC及更高的電壓（針對瞬態事件）
? 在接線錯誤的情況下，無法從螺絲端子向元件供電
SPI CRC和SCLK計數特性確保不會發生錯誤的SPI事務。此外，ADP1032為AD74413R的兩個正軌提供隔離電源，並隔離四個SPI訊號和三個GPIO訊號的數據。對於二級污染，ADP1032提供高達300 V的基本隔離。ADP1032的電源和數據通道的電氣隔離保護系統免受高壓瞬變的影響，降低接地迴路的雜訊，並確保人身安全。
| 圖6 : ADP1032 + AD74413R軟體可配置I/O系統的穩健性 |
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ADP1032和AD74413R作為一個完整系統進行測量和驗證，符合CISPR11 B類電磁輻射騷擾水準，餘裕大於6 dB，如圖7所示。
| 圖7 : AD74413R + ADP1032電磁輻射騷擾通過CISPR Class-B |
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功耗
彈性的多通道系統要求權衡系統功耗，因為AD74413R軟體可配置I/O的每個通道都可以配置為不同模式，而AD74413R的電源則保持單一輸出電壓。設計人員必須選擇最高的AD74413R AVDD電源電壓，以便在考慮所需電壓餘裕和負載特性的情況下支援最壞使用場景，確保每種模式都能正常運作。考慮AD74413R處於電流輸出模式、負載電阻為600 Ω、輸入電流範圍高達20 mA的使用場景，表示螺絲端子上的最大輸出電壓為12 V。
根據AD74413R電流輸出模式所需的餘裕電壓為4.6 V。將餘裕電壓與最大輸出電壓相加得到16.6 V，這是AD74413R在電流輸出模式下所需的最小AVDD電源電壓。對於其他輸入和輸出模式，應進行相同的AVDD電源電壓計算，並且必須將得到的最高AVDD電壓用作ADP1032 VOUT1的輸出。
為了計算ADP1032 + AD74413R的系統功耗，可以將整個系統視為一個黑盒，然後從提供給系統的輸入功率（PIN）中減去提供給負載的輸出功率（POUT）即可，如圖8所示。
系統功耗包括ADP1032電源轉換的損耗、AD74413R靜態電流、數位通道隔離器的靜態電流以及AD74413R輸出路徑中的損耗（尤其是所需的餘裕）。圖9顯示AD74413R的所有四個通道配置為相同工作模式和相同負載特性時的系統功耗。
在本例中，為AD74413R AVDD供電的ADP1032 VOUT1輸出設定為16.6 V，假設支援所有不同工作模式以及預定義的負載和輸入輸出條件。ADP1032的輸入電源為24 V。電流輸出模式的系統功耗更差，但在四個通道以滿量程輸出工作時，功耗仍小於1 W，如圖9所示。功耗受AD74413R的輸入和輸出位準，以及負載的影響很大。
| 圖8 : ADP1032 + AD74413黑盒示意圖 |
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| 圖9 : AD74413R + ADP1032系統針對不同工作模式和負載的功耗（所有四個通道配置相同），ADP1032輸入電源 = 24 V。 |
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選擇ADP1032的輸入電源（VINP）時須謹慎。ADP1032 VINP的選擇將決定提供給AD74413R的ADP1032最大輸出電流。圖10顯示了在整個VINP範圍內，ADP1032對於各種VOUT1設定的最大輸出電流。為ADP1032選擇的輸入電源必須能夠支援AD74413R在較差情況下的電流需求，例如在輸出電流模式下，所有四個通道都驅動20 mA的最大輸出電流時。
| 圖10 : 在整個輸入電源電壓範圍內，ADP1032 VOUT1在不同輸出電壓下的最大輸出電流 |
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結論
工廠數位化提高了產量、工廠利用率和勞動生產率。然而，向數位化工廠的轉換並非易事，因為傳統系統缺乏支援10BASE-T1L的感測器和執行器。
AD74413R軟體可配置I/O與ADP1032相結合，填補了支援乙太網路的現場儀器儀錶的空缺。AD74413R的四個通道非常彈性，每個通道都可以編程為八種不同的I/O配置，其故障檢測和診斷功能可節省除錯和系統測試的時間。診斷功能還可用於監視系統以進行維護。最後，ADP1032對數據和電源並能進行電氣隔離，確保電源和數據安全高效傳輸。
（本文作者Bien Javier1、Jefferson Eco2為ADI公司1產品應用工程師和2應用開發工程師）
參考電路
[1] Barry Misthal、Reinhard Geissbauer、Jesper Vedso和Stefan Schrauf?！腹I4.0：打造數位化企業」 。PwC，2016年。
[2] Brendan O'Dowd。「10BASE-T1L：將大數據分析範圍擴大到工廠網路邊緣」 。ADI，2020年。
[3] Maurice O'Brien和Volker E. Goller?！竿高^10BASE-T1L連接實現無縫現場乙太網路」 。ADI，2021年。
[4] Hakan Uenlue?！杠涹w可配置硬體如何協助實現工業I/O模組的彈性」 。ADI，2021年。
