如何使用工業(yè)級(jí)串行數(shù)字輸入來設(shè)計(jì)具有并行接口的數(shù)字輸入模塊
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邏輯信號(hào)的串行化是指通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步采樣，將信號(hào)變成時(shí)間量化的形式。但這意味著實(shí)時(shí)信息內(nèi)容會(huì)丟失。在某些系統(tǒng)中，這種信息丟失可能會(huì)引發(fā)問題。例如，增量編碼器或計(jì)數(shù)器等應(yīng)用關(guān)注開關(guān)信號(hào)之間的時(shí)序差異。這些應(yīng)用要么需要采用高速采樣和高速串行讀出，要么需要利用 MAX22195所提供的非串行化并行數(shù)據(jù)。通過并行操作方式使用MAX22190/MAX22199，能夠?qū)崿F(xiàn)診斷功能和配置靈活性。本文深入探討了這種方法的特點(diǎn)、局限性和設(shè)計(jì)考量。
這項(xiàng)技術(shù)的核心在于將8個(gè)LED輸出用作邏輯信號(hào)。LED可以直觀地指示數(shù)字輸入的狀態(tài)，這對(duì)于安裝、維護(hù)和使用都很有用。IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn)明確定義了工業(yè)級(jí)輸入的特性和規(guī)格，而輸出狀態(tài)本質(zhì)上是二元的：要么為開，要么為關(guān)。
MAX22190/MAX22199采用無能耗LED驅(qū)動(dòng)器，LED由現(xiàn)場(chǎng)傳感器/開關(guān)供電，而不是從數(shù)字輸入模塊中的電源獲得電流/功率。這些器件將輸入電流限制在由REFDI電阻設(shè)置的某一水平。這樣做是為了盡量降低模塊的功耗。對(duì)于常見的1型/3型數(shù)字輸入，輸入電流通常設(shè)置為約2.3 mA（典型值），大于IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的2.0 mA最小值。IC將約2.3 mA現(xiàn)場(chǎng)輸入(IN)電流的大部分傳輸至LED輸出引腳，芯片僅消耗約160 μA電流。
LED驅(qū)動(dòng)器輸出的是電流而非電壓，因此需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓，才能與其他邏輯器件（如數(shù)字隔離器、微控制器等）對(duì)接。為了實(shí)現(xiàn)此目的，電阻是最簡(jiǎn)便的跨阻元件，如圖1所示。
圖1. LED引腳用作基于電壓的邏輯輸出。
產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒有介紹如何以這種方式使用LED輸出引腳。本文探討了其特性和可能的局限性。
在LED引腳上使用接地電阻來產(chǎn)生電壓輸出時(shí)，需要考慮以下事項(xiàng)：
LED引腳容許的最大電壓是多少？
從LED引腳到IN引腳是否存在交互/反饋？
具體來說：由于IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最小電流水平，LED引腳上的電壓是否會(huì)導(dǎo)致IN輸入電流發(fā)生變化？
LED輸出電流是否表現(xiàn)出不良的瞬態(tài)行為，例如過沖或上升/下降緩慢？
當(dāng)輸入以高速率切換時(shí)，LED輸出是否適合用作高速邏輯信號(hào)？
LED輸出是否需要濾波？（可通過SPI編程）
根據(jù)MAX22190/MAX22199數(shù)據(jù)手冊(cè)所列的絕對(duì)最大額定值，容許的最大LED引腳電壓為+6 V。因此，LED引腳適合用作5 V（和3.3 V）邏輯輸出，但須注意，電壓不得高于6 V。
需要評(píng)估LED引腳電壓對(duì)其他關(guān)鍵特性的影響。特別值得關(guān)注的是在高LED引腳電壓下IN輸入電流的變化，因?yàn)橄嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IN輸入電流有明確要求。對(duì)于3型數(shù)字輸入，要注意的關(guān)鍵情況是現(xiàn)場(chǎng)電壓接近所定義的11 V導(dǎo)通狀態(tài)閾值電壓時(shí)。
對(duì)于接近11 V電平的三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸入電壓（9 V、10 V和11 V），圖2顯 示了實(shí)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)IN電流與LED引腳電壓的依賴關(guān)系。之所以選擇 10 V和9 V電平，是因?yàn)樗鼈兲幱?型輸入的過渡區(qū)間內(nèi)，并且它 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(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電壓為11 V閾值時(shí)，藍(lán)色曲線顯示：當(dāng)LED電壓高于約5.8 V時(shí)，IN電流開始下降。在6 V時(shí)，電流僅下降0.6%。對(duì)于9 V和10 V的情況（它們處于對(duì)電流無明確要求的過渡區(qū)間），測(cè)量結(jié)果顯示：對(duì)于高達(dá)5.5 V的輸入，輸入電流仍然高于2 mA。
總之，以上結(jié)果表明MAX22190/MAX22199能夠產(chǎn)生5 V LED邏輯輸出（及3.3 V等較低電壓邏輯輸出），同時(shí)仍然兼容3型數(shù)字輸入。對(duì)于1型數(shù)字輸入，情況非常簡(jiǎn)單，因?yàn)閷?dǎo)通閾值為15 V，要高得多，因而LED引腳也能提供5 V邏輯電平，而不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入電流產(chǎn)生任何影響。
關(guān)于切換條件下LED輸出電流的瞬態(tài)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(zhuǎn)換為電壓。示波器截圖顯示，LED輸出不會(huì)產(chǎn)生可能損壞邏輯輸入器件的瞬態(tài)過沖或下沖。上升和下降時(shí)間很快，不會(huì)造成信號(hào)失真。
MAX22190/MAX22199具有SPI可編程濾波器，支持每通道毛刺/噪聲濾波。這些器件提供8個(gè)最長(zhǎng)20 ms的濾波時(shí)間常數(shù)。針對(duì)高速應(yīng)用，可以旁路濾波器。選定的噪聲濾波也適用于LED輸出，以使視覺表現(xiàn)與電信號(hào)一致。
診斷通過SPI提供，例如低電源電壓報(bào)警、過熱警告、REFDI和REFWB引腳上的短路檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)輸入的斷線檢測(cè)。
寄存器位的上電默認(rèn)狀態(tài)為：
所有8個(gè)輸入都處于使能狀態(tài)
所有輸入濾波器都處于旁路狀態(tài)
斷線檢測(cè)處于禁用狀態(tài)
REFDI和REFWB（僅限MAX22199）引腳的短路檢測(cè)處于禁用狀態(tài)
因此，在不需要毛刺濾波（比如對(duì)于高速信號(hào)）和診斷的應(yīng)用中，無需使用SPI接口。如果需要每通道可選的毛刺/噪聲濾波，或者需要診斷檢測(cè)功能，則可以使用SPI。
圖3顯示了一個(gè)10 kHz現(xiàn)場(chǎng)輸入（黃色曲線）及所產(chǎn)生的LED輸出電壓（藍(lán)色曲線）。LED輸出上使用了一個(gè)1.5 kΩ電阻，以提供3.3 V邏輯信號(hào)。毛刺濾波已禁用（默認(rèn)旁路模式）。
LED輸出波形沒有顯示出過沖或其他不良的異常現(xiàn)象，例如導(dǎo)通狀態(tài)下電壓變化不定。這說明LED輸出可以用作電壓輸出。我們對(duì)其特點(diǎn)和局限性進(jìn)行了研究。
MAX22190和MAX22199提供每通道可選的毛刺濾波。下面以濾波時(shí)間設(shè)置為800 μs的200 Hz開關(guān)信號(hào)為例，展示毛刺濾波器對(duì)LED輸出的影響。指定的毛刺寬度通過改變占空比來模擬。對(duì)正毛刺和負(fù)毛刺均進(jìn)行了研究。
圖4顯示了750 μs正脈沖被800 μs毛刺濾波器濾除的示例。因此，正毛刺濾波對(duì)LED輸出和SPI數(shù)據(jù)均有效。
然而，負(fù)毛刺并未在LED輸出端被濾除，如圖5所示，750 μs下降脈沖傳播到LED輸出端。這與使用SPI讀出數(shù)據(jù)的情況不同，后者的正毛刺和負(fù)毛刺均被成功濾除。
圖6顯示了使能800 μs毛刺濾波器且輸入以50%占空比切換時(shí)的LED輸出信號(hào)。上升沿延遲約770 μs，而下降沿沒有延遲。這說明濾波器未能妥善處理LED輸出。
對(duì)于要求高開關(guān)頻率、低傳輸延遲或低偏斜的應(yīng)用，毛刺濾波會(huì)被禁用。在旁路模式（毛刺濾波器）和100 kHz輸入下，LED輸出產(chǎn)生圖7所示的波形。下降沿顯示出約60 ns的低傳輸延遲，但上升沿具有顯著的傳輸延遲和抖動(dòng)。上升沿抖動(dòng)在±0.5 μs范圍內(nèi)，平均傳輸延遲為約1 μs。上升延遲和抖動(dòng)的原因是約1 MHz的采樣，如數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述。在下降沿不會(huì)發(fā)生采樣，因此響應(yīng)速度很快。
這表明，LED輸出具有最大約1.5 μs的上升時(shí)間/下降時(shí)間偏斜，并 伴有抖動(dòng)。通道間偏斜在下降沿較低，但在上升沿要高得多。 這可能會(huì)限制LED輸出在某些應(yīng)用中的使用。
本部分討論LED輸出引腳用作電壓輸出時(shí)需要考慮的一些事項(xiàng)。
為確保安全，應(yīng)當(dāng)對(duì)MAX22190/MAX22199電流驅(qū)動(dòng)型LED輸出的電壓進(jìn)行限制，使之不超過所驅(qū)動(dòng)的邏輯輸入的安全電平。雖然REFDI電阻將IN現(xiàn)場(chǎng)輸入電流設(shè)置為典型電流水平，但實(shí)際IN電流存在±10.6%的容差，如數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述。因此，電阻兩端的電壓將在±10.6%范圍內(nèi)。邏輯輸入通常存在嚴(yán)格規(guī)定的絕對(duì)最大額定值，如VL + 0.3 V，其中VL為邏輯電源電壓。當(dāng)連接兩個(gè)邏輯信號(hào)時(shí)，通常使用公共VL電源來確保匹配，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)邏輯輸出采用推挽或開漏輸出，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(duì)最大額定值，可以降低典型LED引腳的輸出電壓。或者，可以認(rèn)為L(zhǎng)ED引腳的約2.3 mA輸出電流不會(huì)對(duì)邏輯輸入造成損害，因?yàn)檫壿嬢斎胪ǔＴO(shè)計(jì)成能夠承受遠(yuǎn)高于此的閂鎖電流（一般在50 mA至100 mA范圍）。這需要針對(duì)所考慮的器件進(jìn)行驗(yàn)證。第三種方案是通過箝位來限制電壓，此方案相對(duì)而言不理想。
標(biāo)準(zhǔn)邏輯輸出為推挽式，阻抗較低，為驅(qū)動(dòng)邏輯輸入提供了很好的靈活性。相比之下，LED輸出是開漏輸出，開關(guān)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(shí)現(xiàn)100 kHz及以上的開關(guān)頻率。
雖然根據(jù)文檔的說明，MAX22190/MAX22199工業(yè)級(jí)數(shù)字輸入用于串行數(shù)據(jù)操作，但它們也可用作提供8個(gè)并行輸出的8通道輸入模塊。為實(shí)現(xiàn)此目的，原本用于視覺狀態(tài)指示的LED驅(qū)動(dòng)器被轉(zhuǎn)用作基于電壓或基于電流的邏輯輸出。以這種方式使用并行操作時(shí)，是否使用SPI接口并非強(qiáng)制要求，用戶可以獲得所有診斷和器件配置功能，但也存在一些限制。
評(píng)論