数字与模拟信号的输入输出模块设计指南

数字与模拟信号的输入输出模块设计指南

基于XMC4300核心板，快速设计EtherCAT工业IO模块。

1、简介:

我们与feecat 进行了沟通及合作，了解到他有关于低成本、高可靠性I/O模块的设计经验，在此与大家分享。
由于大多数方案都是来源于互联网，我们会把原始参考链接都标在后面。
本文面向工业I/O设计者，提供24V PNP模式下标准的：
- 数字输入（2mA/CH）
- 数字输出（500mA/CH）
- 电压电流模拟输入（0-10v及0-20mA）
- 电压电流模拟输出（0-10v及0-20mA）
根据此经验，您可以在一周内使用立创EDA或KICAD创造您自己定制的I/O模块。

2、24V转5V电源设计

电源设计是重中之重，我们使用流行的德州仪器TPS5430做电源，并尽可能和官方的Layout一致，电感都尽量取最大。这个电路可以保证绝大多数情况下12-24v转5v无问题。

上图是我们其中一版设计，后来我们略微修改过，比如删掉R1（不好采购），增加几个电容规格位置和C2、C3一样、SS54替换为B340等，在多数应用下影响都不大，发热也极小。

3、数字输入:

工业常见的数字信号为PNP架构，即输出高低电平，驱动负载，负载的另一端接电源0V输出。我们这里单说输入，即端口上有24V为TRUE，没有24V为FALSE，一般切换点在12V左右。
输入部分参考了https://bbs.21ic.com/icview-2542850-1-2.html ，这是一个比较成熟且通用的输入方案。我将输入电容修改为22nf以和数字输出用一样的物料，并且滤波效果更好。实测输入1000Hz可读，持续电流约为2.2mA。

您可以看到，上图中用了PCF8575扩展I/O模块，我们利用它自带的弱上拉进行判断，对于输入的芯片只读取引脚状态即可，在上位程序中对状态取反。
除此之外，程序上建议做数字滤波以避免i2c总线、输入的偶发异常。一个简单好用的三次数字滤波程序如下：

//InputFilter
    inputfilter_1[3]=inputfilter_1[2];
    inputfilter_1[2]=inputfilter_1[1];
    inputfilter_1[1]=inputfilter_1[0];
    if (( inputfilter_1[3] == inputfilter_1[2] ) && ( inputfilter_1[2] == inputfilter_1[1] )){
        input_1=inputfilter_1[3];
    }

4、数字输出

相对于数字输入来说，数字输出要复杂得多，主要在选型及保护上。
我们尝试过TBD62783，它很便宜，但它不好做限流防短路措施，参考这个结论：
Remember that fuses are fire protections, not for silicon protection. （保险丝响应速度过慢）
即使限流保险丝更改为0.1A可以起到保护作用，我们仍然放弃该方案，转向智能高边开关。
典型的高边开关主要由ST和INFINEON生产，ST的产品相对著名一些，在倍福及西门子的输出模块中用的都是ST的VN808，因此我们也是用VN808作为输出芯片。除此之外还推荐ISO8200或VNI8200来做，但我们没有测试过。英飞凌的产品看着都很ok，但价格几乎都要高30%到50%。
IO端口仍然使用PCF8575扩展，所以默认高电平，拉低后光耦输出。
光耦之后的电路参考了ST的标准设计和西门子设计，报警信号我们没有使用。
实际测试中，单输出口一般使用100mA无问题，短路电流最大可达2A左右，随后前级自恢复保险丝动作。如果没有断开，自恢复保险丝会反复开关直到失效。

5、模拟输入

模拟信号处理比数字信号要复杂一些，但我们制作的IO是工业级，对精度和速率要求都不高。
这里我们使用TI的ADS1015作为模拟输入，它使用广泛，但程序比较繁琐。由于使用了四通道模拟开关，同一时间只能读取一个通道的结果。
此外，我们使用±6.144v量程模式，VCC接+5V（L78M05），输入极限是+5.3V，I2C需要用TXS0102之类器件做电平转换。实际算下来精度为0.006V，合10位多一点。
需注意两点，一是受电阻影响目前这个结构零飘较大，二是电流模式下功率超过了0603封装功率，但实测电阻无发热，老化测试也ok。

程序较为复杂，我们需要先对模拟开关做选择、切换到读模式、读取实际值。由于不能影响其它信号通讯，在一个单片机周期内只对一个通道做读取。具体4通道的程序如下：

//Analog Input
    i2c_count=i2c_count+1;
    if(i2c_count >= 4){
        i2c_count = 0x0;
    }
    uint8_t aireg[]={0x01,0x40,0xE3};
    uint8_t airead = 0x0;
    uint8_t aidata[]={0x0,0x0};
    switch (i2c_count){
    case(0):aireg[1]=0x40;break;
    case(1):aireg[1]=0x50;break;
    case(2):aireg[1]=0x60;break;
    case(3):aireg[1]=0x70;break;
    }
    I2C_MASTER_Transmit(&I2C_MASTER_1,true,0x90,&aireg[0],3,true);
    i2c_wait();
    I2C_MASTER_Transmit(&I2C_MASTER_1,true,0x90,&airead,1,true);
    i2c_wait();
    I2C_MASTER_Receive(&I2C_MASTER_1,true,0x91,&aidata[0],2,true,true);
    i2c_wait();
    uint16_t aitemp = 0;
    aitemp=(uint16_t)aidata[0]<<4|aidata[1]>>4;
    if (aitemp>1667){
        aitemp=1667;
    }
    switch (i2c_count){
    case(0):AI_1=(aitemp/1667.0)*65535;break;
    case(1):AI_2=(aitemp/1667.0)*65535;break;
    case(2):AI_3=(aitemp/1667.0)*65535;break;
    case(3):AI_4=(aitemp/1667.0)*65535;break;
    }

6、模拟输出

模拟输出参考了以下两个链接：
Universal analog output design and protection with LM358
Univerzální analogový výstup
我只把输入的阻容更换掉以取得更小的上升时间（实测10v约500us），并加入了输出的保护。此外，不建议用4-20mA等模式，因为零飘略微高了一点，4mA时零位大约在4.1mA。
JPx短接方式和原始原理图一致，一般推荐0-10V和0-20mA两种模式，分别对应短接2、4和3、4。
使用的芯片为MicroChip的MCP4728，它是4通道12位输出芯片，VDD接5V以获得0-5V基准输出。

程序方面，MCP4728程序很简单，只需要按照规定格式做数组，并修改几个固定位置即可。

//Analog Output
    uint8_t senddata[] = {0x40,0x07,0xFF,0x42,0x07,0xFF,0x44,0x00,0xFF,0x46,0x00,0xFF};
    uint16_t temp = 0;
    temp=(AO_1/65535.0)*4095.0;
    senddata[1]=temp>>8&0xFF;
    senddata[2]=temp&0xFF;
    temp=(AO_2/65535.0)*4095.0;
    senddata[4]=temp>>8&0xFF;
    senddata[5]=temp&0xFF;
    temp=(AO_3/65535.0)*4095.0;
    senddata[7]=temp>>8&0xFF;
    senddata[8]=temp&0xFF;
    temp=(AO_4/65535.0)*4095.0;
    senddata[10]=temp>>8&0xFF;
    senddata[11]=temp&0xFF;
    I2C_MASTER_Transmit(&I2C_MASTER_1,true,0xC0,&senddata[0],12,true);
    i2c_wait();

7、总结

上图是我们用PulseView抓的I2C记录，通讯速率400KHz，一个周期大约900us，即数字输出和模拟输出每900us更新一次、数字输入每2.7ms更新一次（数字滤波）、模拟输入每3.6ms更新一次（完整更新），可以满足用户需求。

上图是我们用PicoScope抓的I2C放大后的波形，边界清晰、通讯正常。

数字与模拟信号的输入输出模块设计指南