提升接线柜工作效率的利器——出厂校准的可配置IO模块
作者：ADI工业和医疗健康事业部应用执行总监Sean Long，ADI资深首席工程师Konrad Scheuer
随着现代工业网络逐步支持先进协议，工厂车间的传感器实现远程实时监控和配置成为可能，令生产停机时间大幅缩短。不过，将传感器和执行器连接至安装了进程控制器的接线柜，却仍是一项人工密集型工作，非常繁琐。
比如修改生产工艺，需要将数字输出(DO)电压驱动的阀门改为使用4-20mA模拟输出(AO)电流的阀门，技术人员必须在接线柜中改线。通过将线路接至不同的IO模块，或者更换IO卡（如果使用机架式模块的话），将阀门连接从DO通道移到AO通道。如果数字输入(DI)传感器必须换成模拟输入(AI)，也会出现类似情况。
虽然自动化工程师会在新工艺的调试阶段选择IO模块，便于拥有足够的通道（允许一定冗余），但随着时间推移，不断增加的传感器和执行器意味着可用的备用通道越来越少，可能导致没有足够的特定类型通道来应对后续升级改造。如果没有可用的AI通道，那么备用DI对需要AI通道的技术人员来说也没多大用处。在一个线路密集的接线柜内，甚至可能无法添加一个新的（且成本高昂的）IO模块。当不同的IO通道类型需要定期重新校准时，手动干预和相关的生产停机时间会大幅增加。
图1.技术人员在配线柜调整连接
因此，工艺自动化工程师往往渴望有一个通用的IO通道，可以远程配置（和校准），方便执行任何信号类型（模拟或数字）的任何功能（输入或输出、电压或电流），而无需技术人员在接线柜中操作。
接下来，ADI将回顾工业环境中使用传感器和执行器信号的主要特性，并向您介绍一种新的参考设计——使用经出厂校准、可远程配置的通用IO模块，来切实提升接线柜的工作效率，加速推动工业自动化进程。
数字IO
DI和DO信号通常是0-24V范围内的直流电压。DI用于检测离散液位、目标检测或指示按钮开关的状态。DO用于驱动电机、执行器和电磁阀。这些产品提供多种配置（高端、低端和推挽），具体取决于负载的参考方式，驱动电流是主要规格参数，范围从数百毫安到数安不等。
模拟IO
模拟IO信号可以是4-20mA电流，或者通常介于0-10V之间的直流电压（尽管可使用双极选项和更宽的电压范围）。AI接收来自传感器的信号，用于精确测量距离、压力、光线等量值，而AO则用于精确控制执行器的移动和位置。
温度
在工业环境中，温度测量主要使用两种传感器中的一种来进行，分别是热电偶(TC)或具有2-3线和4线变体的电阻-温度检测器(RTD)。与RTD相比，热电偶坚固耐用、工作温度范围更宽、成本相对较低，但RTD更稳定、精度更高、线性度更好。信号输出水平取决于所用的TC/RTD类型，并且可以连接到AI通道。稳健性（以符合IEC-61000-4瞬态抗扰度标准来体现）是所有类型工业IO接口的关键性能指标。
通用IO模块参考设计
集成度提高意味着在最新的IO模块中，单个通道可以配置为输入或输出，但模拟域和数字域仍然是分开的。不过，图2展示了一种新型IO模块的参考设计功能图，其中可通过软件，将单个通用UIO引脚配置为相对于单个接地引脚(GND)的AI、AO、DI、DO。可配置模式包括模拟电压输入（0至+10V）、模拟电流输入（0至+20mA）、模拟电压输出（0至+10V）和模拟电流输出（0至+20mA）。它还包括一个符合IEC 61131-2的1/2/3型标准的0-24V数字电压输入和一个推挽/高端数字输出（能够驱动高达1.3A的电流）。同时它还支持使用电阻温度检测器(RTD)进行温度测量，并为热电偶测量提供内置冷端补偿。使用行业标准的四路PCB端子支持UIO模式以及2线、3线或4线温度测量。
此模块的AI和AO功能使用MAX22000来实现。MAX22000是一种可通过软件配置的模拟输入/输出IC，可在电压或电流模式下工作。模拟输出信号使用其内部18位DAC生成，而集成的24位ADC有一个低噪声PGA，具有高压和低压输入范围，用于支持RTD测量。DI和DO功能则使用支持低漏电制程技术的MAX14914A来实现。MAX14914A是一个高端/推挽驱动器，也可以配置作为DI运行。除了提供DIO功能外，MAX14914A还可监控高端和推挽模式下的输出电流。与DO状态相对应的逻辑电平可以通过MAX22000 GPIO上的GPIO进行轮询，这是安全关键型应用中的必要功能。
图2.MAXREFDES185#通用IO模块参考设计功能图
软件配置
此模块使用在很多微控制器和FPGA平台上常用的行业标准型12路Pmod™连接器。为了便于测试，可以通过软件GUI使用USB转SPI适配器（如USB2PMB2#）来配置该模块，从而为电路板提供物理接口。GUI有两个选项卡--通用IO选项卡（图3）有一个下拉菜单，可选择模拟或数字、输入或输出配置。根据选择的模式，GUI会显示一个简化的IC内部连接方框图，可启用当前选择的功能。
注：Pmod™是Diligent，Inc.的商标。
图3.GUI的通用IO选项卡
模拟输入选项卡可用于监测目的，将UIO引脚的电压或电流信号与12通道、24位模拟输入器件MAX22005测得的信号进行直观比较。此外还提供十六进制值，以便将两个ADC内核轻松关联。
校准
此模块的一个主要优势是可以使用板载MAX22005进行电压和电流校准。MAX22005是一个12通道、出厂校准的模拟输入IC，可用作参考，还可监测UIO引脚上的模拟信号。它经过出厂校准，25°C时精度达到0.02% FSR，±50°C时为0.05% FSR。在GUI的Universal IO选项卡上单击"Autocal"即可执行校准。图4显示了UIO引脚和MAX22005上模拟电压信号的FSR精度，两者都远远优于精密仪器预期的0.02% FSR，并表现出高度相关性。
图4.电压测量精度
电流测量也具有类似精度，而图5显示了使用Fluke 724校准器模拟PT100 RTD传感器的温度读数精度。在-100°C到+300°C之间，精度在1°C以内，室温下在0.02% FSR以内。对于±50°C的温度变化，整个模块的总精度达到0.1% FSR。
图5.温度测量精度
功耗优化
功率跟踪功能可限制模块的散热量。这是通过低静态电流线性稳压器和高效降压转换器组合来实现的。MAX17651的静态电流仅为8µA，它从直流输入提供24V稳压电源，而MAX17532和MAXM17552降压转换器产生多个模拟输出电源电压，其中一个可编程为4.2V至24V之间的五个不同预设值。这通过MAX22005上的GPIO引脚来完成，使用外部FET切换反馈电阻。此模块正常情况下功耗通常为10mA，但如果选择电流输入或电流输出模式，则电流消耗会增加。绿色LED则显示出外部电源的存在。
稳定性
虽然该模块无法立即以当前形式转化到现场应用，但在测试IEC 61131-2中规定的工业设备瞬态抗扰度时，该模块仍表现出高度的稳定性。它能承受高达±1.0kV的1.2/50µs浪涌，总源阻抗为42Ω。使用10个浪涌脉冲进行了浪涌测试（线对线和线对地），模块保持正常运行，没有损坏。器件IC上的数据和控制寄存器未损坏，通过主机适配器的通信也未中断。在现场连接端子块上进行测试时，还发现该模块能够承受高达±4kV端口对地的静电放电（ESD），用于接触和气隙放电。未发现任何损坏，测试后主机通信保持正常。模块的前视图（外形尺寸为75mm x 20mm）如图6所示。
图6.MAXREFDES185#参考设计
图7则清楚地展示了选择单个通用IO模块(UIO)代替几个标准模块带来的灵活性和节省空间优势。单个通用IO模块可以执行四种独立功能，并通过软件进行远程配置和校准，而每个标准模块只执行单一功能，并且需要手动配置和校准。
图7.一个通用IO模块代替几个标准模块
总结
工业4.0时代，要求工业设备尽可能提高适应性和灵活性。不过截至目前，手动重新布线和校准IO接口，却成为无法避免的限制因素。现在，ADI MAXREFDES185#远程可配置IO参考设计，能为未来的IO模块提供清晰的路线图，可有效提高灵活性和可配置性。除了IO模块外，此参考设计及其组件IC同时也适用于PLC和DCS系统、智能传感器和执行器中的应用。
