№6 / 2019 / статья 2

Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 1. Цифровые входы

В цикле статей Maxim Integrated о проектировании цифровых промышленных входов и выходов для приема сигналов дискретных датчиков/переключателей рассматривается возможность  применения в этих разработках специализированных ИС Maxim.

Модули цифровых входов-выходов для автоматизированных промышленных систем ранее, как правило, строились на дискретной компонентной базе. Четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0) требует внедрения облачных технологий и увеличения пропускной способности для повышения эффективности производства. Индустрия 4.0 подразумевает развитие диагностических функций, увеличение времени безотказной работы, уменьшение габаритов, а также снижение потребления. Решение перечисленных задач вызывает вполне очевидные сложности. Первым шагом на пути к достижению поставленных целей становится ознакомление разработчиков с имеющимися на рынке интегральными решениями, которые смогут обеспечить необходимую эффективность и функционал модулей входов/выходов. В цикле статей мы рассмотрим линейку интегральных микросхем, предназначенных для создания промышленных цифровых входов/выходов, а также проанализируем преимущества, которые они дают в сравнении с традиционными дискретными решениями с учетом требований, предъявляемых Индустрией 4.0.

Цифровые входы в промышленных модулях входов/выходов необходимы для приема сигналов от дискретных датчиков или переключателей, используемых в промышленном производстве. С помощью этих датчиков осуществляется контроль различных параметров, например, определение уровня жидкости, обнаружение приближающихся объектов или считывание состояния кнопок. Входной сигнал 0 В определяется как логический «0» (или состояние «ВЫКЛ»), а напряжение 24 В, как правило, считается логической «1» (или состоянием «ВКЛ»). Задача цифрового промышленного входа заключается в том, чтобы принять сигнал от датчика или переключателя, выполнить преобразование уровня для получения низковольтного сигнала и переслать информацию о состоянии входа в программируемый логический контроллер (ПЛК) для дальнейшей обработки. Получив данные о состоянии входов, ПЛК может формировать выходные сигналы. Зачастую задача по считыванию состояния входов существенно усложняется из-за необходимости гальванической развязки между высоковольтными входными сигналами и низковольтными входами ПЛК, а также из-за размещения все большего числа каналов в условиях постоянного уменьшения габаритных размеров модулей.

Характеристики цифровых входов

Цифровые входы могут иметь различные характеристики, однако чаще всего они соответствуют требованиям стандартов. Наиболее значимым стандартом является IEC 61131-2 (отечественная адаптация – ГОСТ IEC 61131-2-2012 Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания), который определяет три типа входов: 1, 2 и 3 (рисунок 1, таблица 1).

Рис. 1. Характеристики цифрового входа в соответствии с IEC 61131-2

Рис. 1. Характеристики цифрового входа в соответствии с IEC 61131-2

Цифровые входы типа 1 (type 1 digital input) используются для работы с сигналами, получаемыми от механических контактных переключателей, таких как реле, кнопки, и тому подобное.

Входы типа 1 не всегда совместимы с полупроводниковыми переключателями.

Входы типа 2 (type 2 digital input) используются для работы с сигналами, пол учаемыми от мощных полупроводниковых переключателей, таких как традиционные двухпроводные датчики положения, разработанные в соответствии с IEC 60497-2.

Входные сигналы типа 3 (type 3 digital input) используются для работы с сигналами, получаемыми от маломощных полупроводниковых переключателей, таких как современные двухпроводные датчики положения, но также могут использоваться вместо входов типа 1. Входы типа 3 имеют меньшую мощность по сравнению со входами типа 2, поэтому их число в модуле может быть значительно выше.

Таблица 1. Три типа цифровых входов

Тип входа 1
Характеристика Область «Выкл» Переход Область «Вкл»
Значение VL, (В) IL, мА VT, В IT, мА VH, В IH, мА
Макс 15/5 15 15 15 30 15
Мин -3 ND 5 0,5 15 2
Тип входа 2
Характеристика Область «Выкл» Переход Область «Вкл»
Значение VL, (В) IL, мА VT, В IT, мА VH, В IH, мА
Макс 11/5 30 11 30 30 30
Мин -3 ND 5 2 11 6
Тип входа 3
Характеристика Область «Выкл» Переход Область «Вкл»
Значение VL, (В) IL, мА VT, В IT, мА VH, В IH, мА
Макс 11/5 15 11 15 30 15
Мин -3 ND 5 1,5 11 2

Одиночный цифровой вход на дискретных компонентах

Ранее для создания одиночных цифровых входов использовались дискретные компоненты. На рисунке 2 представлена простая бюджетная схема цифрового входа, построенная на базе резистивного делителя и оптопары, выполняющей гальваническую развязку. Входной сигнал с напряжением 24 В масштабируется с помощью делителя до уровня, необходимого для управления оптопарой, которая в свою очередь формирует низковольтные логические сигналы, поступающие на входы ПЛК.

Рис. 2. Одиночный дискретный цифровой вход с ограничением входного тока

Рис. 2. Одиночный дискретный цифровой вход с ограничением входного тока

Основным недостатком такого решения является высокая потребляемая мощность (до 10 мА, в зависимости от номинала резистора), которая зависит от величины входного напряжения. Разумеется, существует возможность реализации дополнительной схемы ограничения тока, но для этого потребуется не менее десяти дискретных компонентов, что приведет к существенному увеличению площади, занимаемой на печатной плате, и к росту стоимости готового изделия. Кроме того, ток потребления все равно окажется существенно выше идеального уровня 2 мА, указанного в стандарте IEC61131-2 для цифровых входов типа 3. Очевидно, что высокое потребление (с соответствующим тепловыделением) и большая площадь дискретной схемы не позволяют использовать ее при построении компактных модулей входов/выходов с большим числом каналов.

Одноканальная интегральная микросхема цифровых входов

Для построения одиночного цифрового входа может применяться альтернативный подход, подразумевающий использование специализированных одноканальных интегральных микросхем, например MAX22191. Эта микросхема реализует цифровой вход с паразитным питанием и ограничением по току. MAX22191 преобразует цифровой входной сигнал 24 В в ток 2,4 мА, который используется для управления оптическими изоляторами. Пороговые значения напряжений и токов соответствуют требованиям стандарта IEC61131-2 для входов типа 1 и 3, кроме того, вход поддерживает возможность работы в качестве источника и приемника тока. При добавлении внешних резисторов достигается совместимость со входами 48 В. Питание микросхемы осуществляется либо от внешнего источника, либо от самого входного сигнала. В последнем случае отпадает необходимость во внешнем источнике питания на стороне датчиков (первичная сторона), что существенно упрощает трассировку платы. Быстрое время отклика 250 нс (макс.) делает MAX22191 идеальным выбором для создания высокоскоростных входов. Кроме того, у микросхемы есть КМОП-совместимый вход TEST, используемый для диагностики аварийных состояний. Надежная работа MAX22191 возможна даже в жестких промышленных условиях со входными сигналами -60…+60 В. Микросхема имеет встроенную защиту от перегрева. MAX22191 выпускается в небольшом 6-выводном корпусе SOT23, который лучше всего подходит для модулей с индивидуальной гальванической развязкой каналов. На рисунке 3 представлена типовая схема включения, в которой микросхема MAX22191 настроена для работы с сигналами 48 В и питанием от входа.

Рис. 3. Типовая схема включения MAX22191

Рис. 3. Типовая схема включения MAX22191

Уменьшение тепловыделения цифрового входа 24 В при использовании MAX22191 по сравнению с реализацией на базе дискретных компонентов демонстрируется на рисунке 4.

Рис. 4. Уменьшение тепловыделения при использовании MAX22191

Рис. 4. Уменьшение тепловыделения при использовании MAX22191

Работу одноканальной микросхемы цифрового входа можно протестировать с помощью отладочной платы MAX22191EVKIT:

Многоканальные микросхемы цифровых входов

Одноканальная микросхема является усовершенствованной версией дискретной реализации, однако для создания 8-/16-/32- или даже 64-канальных модулей входов/выходов необходима еще большая степень интеграции. Однако, реализация многоканальных ИС требует решения дополнительных задач. При значительном увеличении числа каналов разработчик должен определить, каким образом передавать информацию в ПЛК – по последовательному или параллельному интерфейсу. При использовании многоканальных ИС с последовательным интерфейсом удается минимизировать число изолированных линий, однако ИС должна обеспечивать высокую скорость передачи данных. Кроме того, микросхема должна обеспечивать простое масштабирование и иметь функции распознавания ошибок для проверки целостности потока данных при обмене с контроллером. С другой стороны, хотя прием параллельного потока данных и может показаться более простым, но для его реализации требуется большое число изолированных каналов.

Компания Maxim Integrated разработала широкий спектр многоканальных интегральных схем и специализированных изоляторов, способных удовлетворить самые разнообразные требования разработчиков.

Восьмиканальная микросхема с последовательным интерфейсом

Восьмиканальная микросхема MAX22190 контролирует восемь промышленных входов 24 В и передает информацию об их состоянии по интерфейсу SPI 3/5 В. Дополнительный резистор позволяет настраивать входной ток для соответствия требованиям ко входам типов 1, 2 и 3. Встроенная защита от статики (ESD) позволяет выдерживать скачки тока до 1 А и перенапряжения до 1 кВ (с внешними резисторами, но без необходимости использования внешних TVS). Для индикации состояний входов можно использовать встроенные малопотребляющие драйверы светодиодов. Для реализации большего числа каналов допускается последовательное включение нескольких микросхем, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. 16-канальный модуль цифровых входов, построенный на базе MAX22190 (с возможностью реализации входов типа 1, 2, 3) и цифрового с SPI-изолятора MAX14483

Рис. 5. 16-канальный модуль цифровых входов, построенный на базе MAX22190 (с возможностью реализации входов типа 1, 2, 3) и цифрового с SPI-изолятора MAX14483

MAX22190 имеет широкий набор диагностических функций, В частности, речь идет о контроле целостности проводов при подключении датчиков. Для этого используются дополнительные встроенные компараторы. Если тестовый ток оказывается ниже заданного порога в течение более чем 20 мс, то выставляется соответствующий флаг ошибки и формируется аварийный сигнал на выходе FAULT. Выход FAULT также используется для сигнала о наступлении таких аварийных ситуаций, как перегрев, просадка напряжения питания 24 В, отсутствие питания 24 В и ошибка связи (несовпадение CRC). Для надежной работы в промышленных условиях каждый вход имеет собственный программируемый фильтр. Задержка каждого из фильтров задается индивидуально и выбирается из восьми доступных значений в диапазоне 0,5…20 мс. Возможно также отключение фильтра. MAX22190 работает с 4-проводным SPI-интерфейсом и, кроме того, использует вход LATCH для синхронизации входных данных между несколькими параллельно включенными устройствами. Питание микросхемы осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА, например, цифровых изоляторов или других цепей. В качестве альтернативы для питания микросхемы может использоваться и внешний источник 3…5,5 В. В таком случае встроенный стабилизатор остается не задействованным, что позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую микросхемой. Дополнительную гибкость MAX22190 обеспечивает SPI-интерфейс, который поддерживает работу с логикой 3 и 5 В. На рисунке 6 показано, как следует объединить два входа MAX22190, чтобы обеспечить нагрузочную способность, требуемую от входов типа 2. Ток ограничения определяется внешним резистором, подключенным ко входу REFDI.

Рис. 6. Выходы MAX22190 подключены параллельно, чтобы обеспечить нагрузочную способность, требуемую от входов типа 2

Рис. 6. Выходы MAX22190 подключены параллельно, чтобы обеспечить нагрузочную способность, требуемую от входов типа 2

Восьмиканальная микросхема с последовательным интерфейсом и встроенной гальванической развязкой

Альтернативой для MAX22190 является микросхема MAX22192, которая обеспечивает дополнительное преимущество в виде встроенной гальванической развязки SPI-интерфейса. MAX22192 имеет восемь промышленных входов 24 В, состояние которых передается по изолированному SPI-интерфейсу с логическим напряжением 1,71…5,5 В. Токовый резистор позволяет настроить MAX22192 для обеспечения токовых характеристик, требуемых от входов типа 1, 2 или 3. Целостность соединительных проводов проверяется с помощью встроенных компараторов. Если контрольный ток оказывается ниже заданного порога в течение более чем 20 мс, то выставляется соответствующий флаг ошибки и формируется аварийный сигнал на выходе LFAULT. Этот же вход используется для сигнализации о других происшествиях, исходя из требований конкретного приложения. Микроконтроллер задает пороговые значения тока, определяет задержки входных фильтров, а также разрешает работу входов с помощью регистров управления. Кроме того, пользователь может управлять матрицей светодиодов и функционалом выхода LFAULT. Как только настройка завершится, микросхема MAX22192 будет готова к опросу регистра состояния входов. Изолированный выход LFAULT также используется для сигнализации о возникновении других аварийных ситуаций: перегрева, провала напряжения питания 24 В, отсутствия питания 24 В и ошибки связи (несовпадения CRC).

Для надежной работы в промышленных условиях каждый вход имеет собственный программируемый фильтр. Задержка каждого фильтра задается индивидуально и выбирается из восьми доступных значений из диапазона 0,5…20 мс. Возможно также отключение фильтра. Кроме 4-проводного SPI-интерфейса для синхронизации входных данных между несколькими включенными параллельно устройствами используется изолированный вход LATCH. Питание микросхемы на первичной стороне (стороне датчиков) осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА. В качестве альтернативы для питания микросхемы на первичной стороне может использоваться и внешний источник 3…5,5 В. Для питания микросхемы на вторичной стороне (стороне логики) необходим источник 1,71…5,5 В, что позволяет MAX22192 взаимодействовать с микросхемами с логическими уровнями 1,8, 3,3 или 5 В. MAX22192 имеет класс изоляции 600VRMS (в течение 60 секунд) и доступен в 70-контактном корпусе GQFN с длиной пути утечки 2,3 мм (наикратчайшим расстоянием между двумя токопроводящими частями). Материал корпуса имеет минимальный сравнительный индекс трекингостойкости СИТ (CTI) 400 В, что соответствует рейтингу II группы.

Как показано на рисунке 7, для приложений, требующих более восьми входов, микросхема MAX22192 может включаться последовательно с MAX22190. При этом для передачи данных к микроконтроллеру используется изолированный SPI-интерфейс микросхемы MAX22192.

Рис. 7. Построение 16-канального изолированного модуля входов с помощью последовательного включения MAX22190 и MAX22192

Рис. 7. Построение 16-канального изолированного модуля входов с помощью последовательного включения MAX22190 и MAX22192

открыть картинку в полном формате

Восьмиканальная микросхема с параллельным интерфейсом

MAX22195 преобразует восемь 24-вольтовых промышленных цифровых входов в восемь КМОП-совместимых параллельных выходов (рисунок 8). Задержка распространения между входами и выходами не превышает 300 нс для всех каналов. Присутствие ограничителей тока на всех входах 24 В существенно снижает рассеиваемую мощность по сравнению с традиционными резистивными делителями, обеспечивая при этом выполнение требований стандарта IEC 61131-2. Токозадающий резистор позволяет настраивать входы микросхемы в соответствии с требованиями для входов типа 1, 2 или 3. Кроме того, драйверы светодиодов, реализованные на высоковольтной стороне датчиков, отвечают требованиям, предъявляемым IEC 61131-2 к световым индикаторам без дополнительного рассеивания мощности. Питание микросхемы осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА, например, цифровых изоляторов или других цепей. В качестве альтернативы для питания микросхемы может использоваться и внешний источник 3…5,5 В.

Рис. 8. MAX22195 с параллельным выходным интерфейсом

Рис. 8. MAX22195 с параллельным выходным интерфейсом

Итоговый обзор микросхем цифровых входов

Обобщенные характеристики микросхем цифровых входов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики микросхем цифровых входов

Наименование Число каналов Изоляция Совместимость с типами входов Выходной интерфейс
MAX22191 1 Внешняя оптическая развязка 1, 3 Ток или напряжение
MAX22190 8 Внешние цифровые изоляторы 1, 2, 3 Последовательный
(напряжение)
MAX22192 8 Встроенная 1, 2, 3 Последовательный
(напряжение)
MAX22195 8 Внешние цифровые изоляторы 1, 2, 3 Параллельный
(напряжение)

Заключение

Существующие стандарты предъявляют жесткие требования к цифровым входам. При этом современные приложения нуждаются в многоканальных модулях входов/выходов. В результате построение цифровых входов с помощью дискретных компонентов зачастую оказывается невозможным. Для решения этой проблемы компания Maxim Integrated предлагает использовать специализированные интегральные микросхемы.

В линейке поставок компании присутствуют как одноканальные ИС цифровых входов, например, MAX22191, так и многоканальные решения, в частности, MAX22190, MAX22192, MAX22195. Восьмиканальная микросхема MAX22190 использует параллельный интерфейс и требует наличия внешней развязки, а MAX22192 имеет встроенную развязку. MAX22195 позволяет минимизировать число внешних изоляторов за счет использования последовательного интерфейса.

Оригинал статьи

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

Наши информационные каналы

Рубрики:
Применения:
Группы товаров:

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее