利用軟件可配置數(shù)字和模擬IO解決方案，自動化工程師和技術(shù)人員可以輕松地遠程調(diào)試通用IO端口。這類新型軟件不僅簡化了工廠的布線工作，還可靈活地將多種可選的數(shù)字或模擬IO傳感器或執(zhí)行器物理連接至任何未分配的IO端口。此項軟件可配置技術(shù)可提高工廠內(nèi)的通道密度，因而更具成本效益。

數(shù)字IO

模擬IO

可配置IO

配套IC產(chǎn)品

ADI特別推出《工業(yè)IO手冊(第一版)》，將主要針對以上四個方面進行全面介紹。這些產(chǎn)品具有出色的穩(wěn)定性和先進的診斷功能。此外本手冊還介紹了許多可作為模板的參考設(shè)計，提供滿足您需求的解決方案，并幫助您迅速將產(chǎn)品推向市場。

01數(shù)字IO

面向自動化工業(yè)控制器的數(shù)字輸入(DI)和數(shù)字輸出(DO)模塊設(shè)計一直以來都采用分立器件。工業(yè)4.0是工廠運行方式的下一次革命，將不僅需要云控制，還需要更快速的吞吐速率，以充分提高效率和利潤。

隨著對更多診斷功能的需求不斷增長，以增加正常運行時間，所有這些功能都需要整合在尺寸更小、功耗更低的封裝內(nèi)，未來面臨的挑戰(zhàn)變得越來越清晰。第一步就是設(shè)計人員需要了解市場上可用的集成器件，這樣DI和DO模塊才能最終實現(xiàn)其性能潛力。本部分介紹了現(xiàn)有的集成式數(shù)字IO產(chǎn)品系列，并展示了與傳統(tǒng)數(shù)字IO設(shè)計方法相比，這些產(chǎn)品將如何更好地應(yīng)對工業(yè)4.0 需求挑戰(zhàn)。

單通道集成式數(shù)字輸入

分立電路的替代方法就是使用單通道集成解決方案，比如 MAX22191。下圖為應(yīng)用電路，其中MAX22191具有寄生電源，為芯片自身、光隔離器以及用于顯示狀態(tài)信息的外部LED供電，因此是可用的較低功耗數(shù)字輸入解決方案。

MAX22191灌電流電路與狀態(tài)/指示燈LED

多通道數(shù)字輸入

雖然單通道集成IC是對分立方案的改進，但實現(xiàn)8、16、32 或64 DI通道需要更高的集成度，這在新型IO模型中比較常見。然而，多通道DI 芯片也帶來了自身挑戰(zhàn)：

通道數(shù)量的增加要求設(shè)計人員思考如何將通道連接至控制器，是并行還是串行?盡管串行數(shù)據(jù)流意味著需要隔離的引腳較少，但它也 意味著隔離器必須在適合的數(shù)據(jù)速率也可以正常工作。它必須具有可擴展性，并且需要進行某種形式的誤差檢測，以驗證與控制器通信期間數(shù)據(jù)流的完整性。

另一方面，并行數(shù)據(jù)流可能看起來較簡單，但它需要更大的隔離IC，以滿足多數(shù)據(jù)通道需求。MAX22195 可將8個24V工業(yè)數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為8個CMOS兼容的并行輸出，且所有通道上的輸入至輸出傳輸延遲低于300ns。

MAX22195 8通道數(shù)字輸入，帶并行接口

數(shù)字輸入/數(shù)字輸出/可配置數(shù)字IO/數(shù)字隔離器匯總

下表1匯總了Maxim數(shù)字輸入產(chǎn)品系列的主要特性：

表1.數(shù)字輸入IC匯總

表2中匯總了Maxim的數(shù)字輸出IC產(chǎn)品系列：

表2. 數(shù)字輸出IC匯總

表3中匯總了Maxim的可配置數(shù)字IO系列：

表3 可配置數(shù)字IO IC匯總

表4中匯總了Maxim的數(shù)字隔離器的關(guān)鍵規(guī)格：

表4. DIO兼容隔離器匯總

02模擬IO

本部分介紹了現(xiàn)有的集成式模擬IO產(chǎn)品系列，并展示了從模擬輸入、模擬輸出到可配置模擬IO等一系列內(nèi)容。

模擬輸入

模擬輸入(AI)用于監(jiān)控進行持續(xù)測量的儀器儀表狀態(tài)，例如：容器中流體的體積或壓力、電機速度、流量和接近測量。因為這些信號通常需要在電噪聲環(huán)境下長距離傳輸，所以我們通常使用電流而不是電壓。

由于歷史原因，使用的電流范圍為4-20mA。可使用高精度外部電阻將電流轉(zhuǎn)換為所需的輸入電壓范圍。用于溫度測量的RTD和熱電偶會生成不同的電流和電壓。高精度、低誤差的信號轉(zhuǎn)換是AI的關(guān)鍵性能參數(shù)。

MAX22005 是一款12通道工業(yè)級模擬輸入電壓模式器件，通過在每個通道上使用單個外部精密電阻也可將其配置為模擬輸入電流模式器件。

MAX22005 12通道可配置工業(yè)模擬輸入

模擬輸出

模擬輸出用于提供連續(xù)電壓或電流(4-20mA)信號，以實現(xiàn)車間執(zhí)行器(例如：在閥門上用于控制流體流動)、變速電機和溫度控制器的精密控制。這些器件的關(guān)鍵規(guī)格包括高精密DAC、分辨率范圍和惡劣環(huán)境下的可靠性能。

MAX22007 是一款工廠校準的可軟件配置4通道模擬輸出，能夠在每個通道上提供電壓或電流輸出。

使用MAX22007的兩線制應(yīng)用電路

可配置模擬IO IC/隔離式ADC匯總

下表5匯總了了Maxim模擬IO IC產(chǎn)品系列的主要特性：

表5.模擬IO IC匯總

表6中匯總了的隔離式ADC IC的關(guān)鍵規(guī)格：

表6. 隔離式ADC IC匯總

03工業(yè)IO設(shè)計資源

該部分主要介紹了面向大電流感性負載的數(shù)字輸出模塊設(shè)計、瞬變抗擾度的系統(tǒng)設(shè)計建議、工業(yè)IO評估板和外設(shè)模塊、參考設(shè)計、工業(yè)IO設(shè)計資源匯總、工業(yè)IO資源，幫助您和您的企業(yè)更好地完成相關(guān)設(shè)計。

面向大電流感性負載的數(shù)字輸出模塊設(shè)計

面對電感反沖電壓(浪涌)，在實際電路中，對感性負載進行放電的最常見解決方案就是使用續(xù)流二極管。在本電路中，當(dāng)開關(guān)閉合時，二極管被反向偏置且不導(dǎo)電。當(dāng)開關(guān)打開時，通過電感的負電源電壓會使二極管正向偏置，從而通過引導(dǎo)電流通過二極管的方式使存儲能量衰減，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)且電流為零。另一種解決方案就是使用齊納二極管，管可提供更快的電流斜坡下降，而不是 數(shù)級衰減。當(dāng)開關(guān)打開時，電流通過通用二極管和齊納二極管路徑分流。這可使電壓等于齊納電壓(加上二極管正向壓降)，直至電感能量耗散。

加快電流衰減的兩種方案

使用MOSFET的有源箝位

對于工業(yè)應(yīng)用，“開關(guān)”通常為MOSFET。當(dāng)MOSFET關(guān)閉，同時切換電感負載時(如果沒有可用保護)，則通過漏極和源極的電壓(VDS)會增加，直至MOSFET出現(xiàn)故障。現(xiàn)代高端開關(guān)經(jīng)常會使用一種稱為有源箝位的技術(shù),這種技術(shù)會在切換感性負載時限制VDS，以保護MOSFET。

集成有源鉗位的高端開關(guān)(MOSFET)

但每個開關(guān)都有可支持的最大感性負載和負載電流;否則，MOSFET在有源箝位模式下會出現(xiàn)散熱問題。系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)負責(zé)確保開關(guān)(MOSFET)能夠處理關(guān)閉模式下消耗的更高功率。否則，結(jié)溫升高會產(chǎn)生應(yīng)力，并可能損壞開關(guān)設(shè)備。為解決該問題，MAX14912/MAX14913 8通道高速開關(guān)會采用一種名為安全退磁(SafeDemag)的新架構(gòu)。可與快速退磁電路一起使用，并允許MAX14912/MAX14913在電感不受限的情況下安全地關(guān)閉負載。

按退磁功能列出的DO產(chǎn)品匯總

瞬變抗擾度的系統(tǒng)設(shè)計建議

在惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運行需要使用數(shù)字輸入IC。Maxim專有的工藝技術(shù)結(jié)合了內(nèi)部ESD結(jié)構(gòu)與較高的絕對最大額定值，可確保輸入通道和現(xiàn)場電源引腳的出色可靠性，但需要使用外部器件來吸收ESD和浪涌瞬變的過多能量。

MAX22199EVKIT#評估板

建議的瞬變抗擾度保護器件

參考設(shè)計

為了模擬我們工業(yè)IO IC的實際應(yīng)用，我們創(chuàng)建了各種參考設(shè)計。它們尚未獲得現(xiàn)場使用的認證，但可利用它們迅速為實際設(shè)計提供基礎(chǔ)，以便日后由OEM進行認證。

MAXREFDES1165 32通道IO模塊系統(tǒng)框圖

MAXREFDES176#系統(tǒng)框圖

MAXREFDES177#通用模擬IO

MAXREFDES183#系統(tǒng)框圖

原文標(biāo)題：助力打造未來工廠邊緣智能典范，ADI《工業(yè)IO手冊》正式發(fā)布!

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審核編輯：湯梓紅