【導讀】隨著現代工業網絡逐步支持先進協議，工廠車間的傳感器實現遠程實時監控和配置成為可能，令生產停機時間大幅縮短。不過，將傳感器和執行器連接至安裝了進程控制器的接線柜，卻仍是一項人工密集型工作，非常繁瑣。
比如修改生產工藝，需要將數字輸出(DO)電壓驅動的閥門改為使用4-20mA模擬輸出(AO)電流的閥門，技術人員必須在接線柜中改線。通過將線路接至不同的IO模塊，或者更換IO卡（如果使用機架式模塊的話），將閥門連接從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)，也會出現類似情況。
雖然自動化工程師會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），但隨著時間推移，不斷增加的傳感器和執行器意味著可用的備用通道越來越少，可能導致沒有足夠的特定類型通道來應對后續升級改造。如果沒有可用的AI通道，那么備用DI對需要AI通道的技術人員來說也沒多大用處。在一個線路密集的接線柜內，甚至可能無法添加一個新的（且成本高昂的）IO模塊。當不同的IO通道類型需要定期重新校準時，手動干預和相關的生產停機時間會大幅增加。
圖1.技術人員在配線柜調整連接
因此，工藝自動化工程師往往渴望有一個通用的IO通道，可以遠程配置（和校準），方便執行任何信號類型（模擬或數字）的任何功能（輸入或輸出、電壓或電流），而無需技術人員在接線柜中操作。
接下來，ADI將回顧工業環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——使用經出廠校準、可遠程配置的通用IO模塊，來切實提升接線柜的工作效率，加速推動工業自動化進程。
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關的狀態。DO用于驅動電機、執行器和電磁閥。這些產品提供多種配置（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接收來自傳感器的信號，用于精確測量距離、壓力、光線等量值，而AO則用于精確控制執行器的移動和位置。
溫度
在工業環境中，溫度測量主要使用兩種傳感器中的一種來進行，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、線性度更好。信號輸出水平取決于所用的TC/RTD類型，并且可以連接到AI通道。穩健性（以符合IEC-61000-4瞬態抗擾度標準來體現）是所有類型工業IO接口的關鍵性能指標。
通用IO模塊參考設計
集成度提高意味著在最新的IO模塊中，單個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的。不過，圖2展示了一種新型IO模塊的參考設計功能圖，其中可通過軟件，將單個通用UIO引腳配置為相對于單個接地引腳(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）。它還包括一個符合IEC 61131-2的1/2/3型標準的0-24V數字電壓輸入和一個推挽/高端數字輸出（能夠驅動高達1.3A的電流）。同時它還支持使用電阻溫度檢測器(RTD)進行溫度測量，并為熱電偶測量提供內置冷端補償。使用行業標準的四路PCB端子支持UIO模式以及2線、3線或4線溫度測量。
此模塊的AI和AO功能使用MAX22000來實現。MAX22000是一種可通過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的MAX14914A來實現。MAX14914A是一個高端/推挽驅動器，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狀態相對應的邏輯電平可以通過MAX22000 GPIO上的GPIO進行輪詢，這是安全關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平臺上常用的行業標準型12路Pmod?連接器。為了便于測試，可以通過軟件GUI使用USB轉SPI適配器（如USB2PMB2#）來配置該模塊，從而為電路板提供物理接口。GUI有兩個選項卡--通用IO選項卡（圖3）有一個下拉菜單，可選擇模擬或數字、輸入或輸出配置。根據選擇的模式，GUI會顯示一個簡化的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測得的信號進行直觀比較。此外還提供十六進制值，以便將兩個ADC內核輕松關聯。
校準
此模塊的一個主要優勢是可以使用板載MAX22005進行電壓和電流校準。MAX22005是一個12通道、出廠校準的模擬輸入IC，可用作參考，還可監測UIO引腳上的模擬信號。它經過出廠校準，25°C時精度達到0.02% FSR，±50°C時為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，兩者都遠遠優于精密儀器預期的0.02% FSR，并表現出高度相關性。
圖4.電壓測量精度
電流測量也具有類似精度，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以內，室溫下在0.02% FSR以內。對于±50°C的溫度變化，整個模塊的總精度達到0.1% FSR。
圖5.溫度測量精度
功耗優化
功率跟蹤功能可限制模塊的散熱量。這是通過低靜態電流線性穩壓器和高效降壓轉換器組合來實現的。MAX17651的靜態電流僅為8μA，它從直流輸入提供24V穩壓電源，而MAX17532和MAXM17552降壓轉換器產生多個模擬輸出電源電壓，其中一個可編程為4.2V至24V之間的五個不同預設值。這通過MAX22005上的GPIO引腳來完成，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
雖然該模塊無法立即以當前形式轉化到現場應用，但在測試IEC 61131-2中規定的工業設備瞬態抗擾度時，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個浪涌脈沖進行了浪涌測試（線對線和線對地），模塊保持正常運行，沒有損壞。器件IC上的數據和控制寄存器未損壞，通過主機適配器的通信也未中斷。在現場連接端子塊上進行測試時，還發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通用IO模塊(UIO)代替幾個標準模塊帶來的靈活性和節省空間優勢。單個通用IO模塊可以執行四種獨立功能，并通過軟件進行遠程配置和校準，而每個標準模塊只執行單一功能，并且需要手動配置和校準。
圖7.一個通用IO模塊代替幾個標準模塊
總結
工業4.0時代，要求工業設備盡可能提高適應性和靈活性。不過截至目前，手動重新布線和校準IO接口，卻成為無法避免的限制因素。現在，ADI MAXREFDES185#遠程可配置IO參考設計，能為未來的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，此參考設計及其組件IC同時也適用于PLC和DCS系統、智能傳感器和執行器中的應用。
關于ADI公司
ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，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，搭建連接現實世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網www.analog.com/cn。
關于作者
Sean Long，是ADI工業和醫療健康事業部的應用執行總監。Sean于2012年5月加入Maxim，他擁有英國伯明翰阿斯頓大學電氣和電子工程學士學位。
Konrad Scheuer，是ADI資深首席工程師。他2003年畢業于阿倫高等專業學院，獲得電氣工程學士學位。
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