開關量GPIO設計指南

　　GPIO作為常用個開關量控制信號，廣泛應用于工業領域的數據采集和驅動控制。當GPIO配置為DI和DO時，干節點與濕節點設計規范是否一致呢?GPIO配置為DI采集時，隔離方案是選擇繼電器隔離還是光耦隔離呢?

　　1、什么叫DI/DO

　　DI: 數字量輸入，把生產過程中的數字信號轉換成計算機易于識別的“0”和“1”信號狀態。

　　DO：數字量輸出，把計算機輸出的微弱數字信號轉換成能對生產過程中控制的“0”和“1”信號狀態。

　　2、DI/DO的干濕節點介紹

　　干接點的定義：無源開關，具有閉合和斷開的2種狀態，2個接點之間沒有極性，可以互換;

　　常見的干節點：有限位開關、行程開關、旋轉開關、溫度開關、各種按鍵以及各種傳感器的輸出等。

　　濕接點的定義是：有源開關;具有有電和無電的2種狀態;2個接點之間有極性，不能反接。

　　常見的濕節點有：NPN三極管的集電極輸出和VCC、達林頓管的集電極輸出和VCC、紅外反射傳感器和對射傳感器的輸出等。

　　3、DI/DO驅動阻抗設計

　　此處以NXP i.MX 6UL為例，常規對于GPIO作為輸出接口時，OVDD電壓為1.8V或3.3V，若GPIO設計為DO時需要注意哪些事項呢?

　　此處以DO為示例，Rpu/Rpd和Ztl構成一個分壓器，定義入射波相對于OVDD的特定電壓，輸出驅動阻抗是從這個分壓器計算出來的。

　　圖1 分壓器等效電路

　　圖2 基于1.8V的驅動阻抗表

　　圖3 基于3.3V的驅動阻抗表

4、設計隔離DI/DO的建議方案

　　在工業場合對DI/DO的設計都要考慮到隔離，在隔離中比較常用的是光耦隔離。

　　圖4為光耦隔離數字量干節點電路，其中的DIx、GIx連接到觸點開關的兩端，當開關閉合時，光耦輸入回路二極管導通，輸出回路光電接收管導通，輸入端GPIx為低電平;當開關斷開時，光耦輸入回路二極管截止，輸出回路光電接收管截止，輸入GPIx被電阻上拉為高電平。

　　圖4 干節點傳輸電纜示意圖

　　圖5是光耦隔離數字量濕節點設計參考電路，輸入電壓范圍DC4V-18V，并且內部自帶濾波功能。用戶只需將濕節點的正端接于DIx接口，將負端接于GIx接口，當輸入的電壓大于4V小于18V時，光耦導通;當輸入的電壓小于1V時，光耦截止。

　　圖5 光耦隔離DI輸入示意圖一

　　DI作為隔離數字量輸入接口，接開關量輸入時，用戶必須在外部電路加上拉電源，簡化的連接示意圖如圖6所示。其中VCC_GPI為外部隔離電源，輸入范圍為4V~18V，GND_GPI為外部隔離地，電阻R1在開關斷開時保證GIx為低電平，阻值為100KΩ即可。

　　圖6 光耦隔離DI輸入示意圖二

　　DO作為隔離數字量輸出時，由于芯片內部提供DO驅動電流為mA級且驅動電壓為1.8V或3.3V，無法滿足所有的應用環境。DO應用于工業領域的開關量設計，需更具不同的應用環境進行繼電器隔離、電平轉換、電阻上拉設計，可有效防止電壓信號的反向灌入燒毀芯片。

　　圖7 隔離電路DO輸入示意圖

　　圖8 M6708U-T系列工控核心板