如何使用工業級串列數位輸入設計具有平行介面的數位輸入模組

作者：ADI 資深經理 Wei Shi及前傑出工程師 Reinhardt Wagner

摘要

此篇文章由ADI與Rockwell Automation合作發表，內容闡述利用工業級數位輸入產生並行邏輯輸出的技術。此種方法保留了此類元件所具備的許多特性和功能。

引言

MAX22190 和 MAX22199預設提供序列化資料，但在需要即時、低延遲或更高速度的系統中，最好為每個工業級數位輸入通道提供位準轉換的即時邏輯訊號。這些工業級數位輸入在基於SPI或接腳(LATCH) 的時序控制下，對8個24 V灌電流輸入的狀態進行採樣和序列化，以便使用戶可以透過SPI讀出8個狀態。使用序列介面可以儘量減少需要隔離的邏輯訊號數量，對於高通道數數位輸入模組很有幫助。

背景知識

邏輯訊號的序列化是指透過對訊號進行同步採樣，將訊號變成時間量化的形式。但這表示即時資訊內容會丟失。在某些系統中，這種資訊丟失可能會引發問題。例如，增量編碼器或計數器等應用關注開關訊號之間的時序差異。這些應用若不是需要採用高速採樣和高速串列讀出，就是需要利用 MAX22195所提供的非序列化並行資料。透過平行作業方式使用MAX22190/MAX22199能夠實現診斷功能和配置彈性。本文即深入探討了這種方法的特點、侷限性和設計考量。

詳情

此項技術的核心在於將8個LED輸出用於邏輯訊號。LED可以直覺地指示數位輸入的狀態，這對於安裝、維護和使用都很有用。IEC 61131-2標準明確定義了工業級輸入的特性和規格，而輸出狀態本質上是二元的：不是「開」，就是「關」。

MAX22190/MAX22199採用無能耗LED驅動器，LED由現場感測器/開關供電，而不是從數位輸入模組中的電源獲得電流/功率。這些元件將輸入電流限制在由REFDI電阻設定的某一水準。如此做法是為了儘量降低模組的功耗。對於常見的1型/3型數位輸入，輸入電流通常設定為約2.3 mA（典型值），大於IEC標準要求的2.0 mA最小值。IC將約2.3 mA現場輸入(IN)電流的大部分傳輸至LED輸出接腳，晶片僅消耗約160 µA電流。

LED驅動器輸出的是電流而非電壓，因此需要將電流轉換為電壓，才能與其他邏輯元件（如數位隔離器、微控制器等）對接。為了實現此目的，電阻是最簡便的跨阻元件，如圖1所示。

產品資料手冊中沒有介紹如何以此種方式使用LED輸出接腳。本文探討了其特性和可能的侷限性。

LED接腳特性

在LED接腳上使用接地電阻來產生電壓輸出時，需要考慮以下事項：

• LED接腳容許的最大電壓是多少？
• 從LED接腳到IN接腳是否存在交互/回饋？
• 具體來說：由於IEC標準規定了最小電流水準，LED接腳上的電壓是否會導致IN輸入電流發生變化？
• LED輸出電流是否表現出不良的瞬態行為，例如過沖或上升/下降緩慢？
• 當輸入以高速率切換時，LED輸出是否適合用於高速邏輯訊號？
• LED輸出是否需要濾波？（可透過SPI編程）

根據MAX22190/MAX22199產品手冊所列的絕對最大額定值，容許的最大LED接腳電壓為+6 V。因此，LED接腳適合用於5 V（和3.3 V）邏輯輸出，但須注意，電壓不得高於6 V。

需要評估LED接腳電壓對其他關鍵特性的影響。特別值得關注的是在高LED接腳電壓下IN輸入電流的變化，因為相關標準對IN輸入電流有明確要求。對於 Type 3數位輸入，要注意的關鍵情況是現場電壓接近所定義的11 V導通狀態閾值電壓時。

對於接近11 V位準的三個現場輸入電壓（9 V、10 V和11 V），圖2顯示了實測的現場IN電流與LED接腳電壓的依賴關係。之所以選擇10 V和9 V位準，是因為它們處於 Type 3輸入的轉換區間內，並且它們的輸入電流沒有最小值要求，而11 V要求輸入電流的最小值為2 mA。

當現場電壓為11 V閾值時，藍色曲線顯示：當LED電壓高於約5.8 V時，IN電流開始下降。在6 V時，電流僅下降0.6%。對於9 V和10 V的情況（它們處於對電流無明確要求的轉換區間），測量結果顯示：對於高達5.5 V的輸入，輸入電流仍然高於2 mA。

總之，以上結果顯示MAX22190/MAX22199能夠產生5 V LED邏輯輸出（及3.3 V等較低電壓邏輯輸出），同時仍然相容3型數位輸入。對於 Type 1數位輸入，情況非常簡單，因為導通閾值為15 V更高出許多，因而LED接腳也能提供5 V邏輯位準，而不會對現場輸入電流產生任何影響。

平行作業示例

圖3顯示了一個10 kHz現場輸入（黃色曲線）及所產生的LED輸出電壓（藍色曲線）。LED輸出上使用了一個1.5 kΩ電阻，以提供3.3 V邏輯訊號。突刺濾波已禁用（預設旁路模式）。

關於切換條件下LED輸出電流的瞬態行為，圖3顯示了10 kHz切換的情況。使用1.5 kΩ電阻將電流轉換為電壓。示波器截圖顯示，LED輸出不會產生可能損壞邏輯輸入元件的瞬態過沖或下沖。上升和下降時間很快，不會造成訊號失真。

使用SPI介面

20 ms的濾波時間常數。針對高速應用，可以旁路濾波器。選定的雜訊濾波也適用於LED輸出，以使視覺表現與電訊號一致。

診斷是透過SPI所提供，例如低電源電壓報警、過熱警告、REFDI和REFWB接腳上的短路檢測及現場輸入的斷線檢測。

暫存器位元的上電預設狀態為：

• 所有8個輸入都處於致能狀態
• 所有輸入濾波器都處於旁路狀態
• 斷線檢測處於禁用狀態
• REFDI和REFWB（僅限MAX22199）接腳的短路檢測處於禁用狀態

因此，在不需要突刺濾波（例如對於高速訊號）和診斷的應用中，無需使用SPI介面。如果需要每通道可選的突刺/雜訊濾波、或者需要診斷檢測功能時，則可以使用SPI。

LED輸出波形沒有顯示出過沖或其他不良的異常現象，例如導通狀態下電壓變化不定。這說明LED輸出可以用於電壓輸出，而我們已經對其特點和侷限性進行了研究。

突剌濾波

MAX22190和MAX22199提供每通道可選的突剌濾波。下面以濾波時間設定為800 µs的200 Hz開關訊號為例展示突剌濾波器對LED輸出的影響。指定的突剌寬度是透過改變工作週期來模擬，而對正突剌和負突剌均進行了研究。

圖4顯示了750 µs正脈衝被800 µs突剌濾波器濾除的示例。因此，正突剌濾波對LED輸出和SPI資料均有效。

然而，負突剌並未在LED輸出端被濾除，如圖5所示，750 µs下降脈衝傳播到LED輸出端。這與使用SPI讀出資料的情況不同，後者的正突剌和負突剌均被成功濾除。

圖6顯示了致能800 µs突剌濾波器且輸入以50%工作週期切換時的LED輸出訊號。升緣延遲約770 µs，而降緣沒有延遲。這說明濾波器未能妥善處理LED輸出。

高頻切換

對於要求高開關頻率、低傳輸延遲或低偏斜的應用而言，突剌濾波會被禁用。在旁路模式（突剌濾波器）和100 kHz輸入下，LED輸出產生圖7所示的波形。降緣顯示出約60 ns的低傳輸延遲，但升緣具有顯著的傳輸延遲和抖動。升緣抖動在±0.5 µs範圍內，平均傳輸延遲為約1 µs。上升延遲和抖動的原因是約1 MHz的採樣，如產品手冊中所述。在降緣不會發生採樣，因此回應速度很快。

這表示LED輸出具有最大約1.5 µs的上升時間/下降時間偏斜，並伴隨抖動。通道間偏斜在降緣較低，但在升緣會高出許多。這可能會限制LED輸出在某些應用中的使用。

設計考量

本部分討論LED輸出接腳用作電壓輸出時需要考慮的一些事項。

為確保安全，應該對MAX22190/MAX22199電流驅動型LED輸出的電壓進行限制，使之不超過所驅動的邏輯輸入的安全位準。雖然REFDI電阻將IN現場輸入電流設定為典型電流水準，但實際IN電流存在±10.6%的容差，如產品手冊中所述。因此，電阻兩端的電壓將在±10.6%範圍內。邏輯輸入通常存在嚴格規定的絕對最大額定值，如VL + 0.3 V，其中VL為邏輯電源電壓。當連接兩個邏輯訊號時，通常使用公共VL電源來確保匹配，因為標準邏輯輸出採用推挽或開漏輸出，其最大輸出電壓由邏輯電源VL定義/限制。為了確保輸入不超過絕對最大額定值，可以降低典型LED接腳的輸出電壓。或者，可以認為LED接腳約2.3 mA的輸出電流不會對邏輯輸入造成損害，因為邏輯輸入通常設計成能夠承受遠高於此的閂鎖電流（一般在50 mA至100 mA範圍）。這需要針對所考慮的元件進行驗證。第三種方案是透過箝位來限制電壓，此方案相對而言不理想。

標準邏輯輸出為推挽式，阻抗較低，為驅動邏輯輸入提供了很好的彈性。相較之下，LED輸出是開漏輸出，開關速度由下拉電阻和寄生電容決定。

在無額外電容的情況下，可以實現100 kHz及以上的開關頻率。

結論

雖然根據文檔的說明，MAX22190/MAX22199工業級數位輸入用於串列資料操作，但它們也可用於提供8個並行輸出的8通道輸入模組。為實現此目的，原本用於視覺狀態指示的LED驅動器被轉用於基於電壓或基於電流的邏輯輸出。以這種方式使用平行作業時，是否使用SPI介面並非強制要求，使用者可以獲得所有診斷和元件配置功能，但也存在一些限制。

致謝

本文由Rockwell Automation資深硬體工程師Chin Chia Leong共同撰寫。