如何使用工业级串行数字输入来设计具有并行接口的数字输入模块

摘要

这篇文章由ADI公司与Rockwell Automation合作发表，阐述了利用工业级数字输入来生成并行逻辑输出的技术。这种方法保留了此类器件所具备的许多特性和功能。

引言

MAX22190和MAX22199默认提供串行化数据，但在需要实时、低延迟或更高速度的系统中，最好为每个工业级数字输入通道提供电平转换的实时逻辑信号。这些工业级数字输入在基于SPI或引脚(LATCH)的时序控制下，对8个24 V灌电流输入的状态进行采样和串行化，以便用户可以通过SPI读出8个状态。使用串行接口可以尽量减少需要隔离的逻辑信号数量，对于高通道数数字输入模块很有帮助。

背景知识

逻辑信号的串行化是指通过对信号进行同步采样，将信号变成时间量化的形式。但这意味着实时信息内容会丢失。在某些系统中，这种信息丢失可能会引发问题。例如，增量编码器或计数器等应用关注开关信号之间的时序差异。这些应用要么需要采用高速采样和高速串行读出，要么需要利用MAX22195所提供的非串行化并行数据。通过并行操作方式使用MAX22190/MAX22199，能够实现诊断功能和配置灵活性。本文深入探讨了这种方法的特点、局限性和设计考量。

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这项技术的核心在于将8个LED输出用作逻辑信号。LED可以直观地指示数字输入的状态，这对于安装、维护和使用都很有用。IEC 61131-2标准明确定义了工业级输入的特性和规格，而输出状态本质上是二元的：要么为开，要么为关。

MAX22190/MAX22199采用无能耗LED驱动器，LED由现场传感器/开关供电，而不是从数字输入模块中的电源获得电流/功率。这些器件将输入电流限制在由REFDI电阻设置的某一水平。这样做是为了尽量降低模块的功耗。对于常见的1型/3型数字输入，输入电流通常设置为约2.3 mA（典型值），大于IEC标准要求的2.0 mA最小值。IC将约2.3 mA现场输入(IN)电流的大部分传输至LED输出引脚，芯片仅消耗约160 µA电流。

LED驱动器输出的是电流而非电压，因此需要将电流转换为电压，才能与其他逻辑器件（如数字隔离器、微控制器等）对接。为了实现此目的，电阻是最简便的跨阻元件，如图1所示。

图1.LED引脚用作基于电压的逻辑输出

产品数据手册中没有介绍如何以这种方式使用LED输出引脚。本文探讨了其特性和可能的局限性。

LED引脚特性

在LED引脚上使用接地电阻来产生电压输出时，需要考虑以下事项：

LED引脚容许的最大电压是多少？

从LED引脚到IN引脚是否存在交互/反馈？

具体来说：由于IEC标准规定了最小电流水平，LED引脚上的电压是否会导致IN输入电流发生变化？

LED输出电流是否表现出不良的瞬态行为，例如过冲或上升/下降缓慢？

当输入以高速率切换时，LED输出是否适合用作高速逻辑信号？

LED输出是否需要滤波？（可通过SPI编程）

根据MAX22190/MAX22199数据手册所列的绝对最大额定值，容许的最大LED引脚电压为+6 V。因此，LED引脚适合用作5 V（和3.3 V）逻辑输出，但须注意，电压不得高于6 V。

需要评估LED引脚电压对其他关键特性的影响。特别值得关注的是在高LED引脚电压下IN输入电流的变化，因为相关标准对IN输入电流有明确要求。对于3型数字输入，要注意的关键情况是现场电压接近所定义的11 V导通状态阈值电压时。

对于接近11 V电平的三个现场输入电压（9 V、10 V和11 V），图2显示了实测的现场IN电流与LED引脚电压的依赖关系。之所以选择10 V和9 V电平，是因为它们处于3型输入的过渡区间内，并且它们的输入电流没有最小值要求，而11 V要求输入电流的最小值为2 mA。

当现场电压为11 V阈值时，蓝色曲线显示：当LED电压高于约5.8 V时，IN电流开始下降。在6 V时，电流仅下降0.6%。对于9 V和10 V的情况（它们处于对电流无明确要求的过渡区间），测量结果显示：对于高达5.5 V的输入，输入电流仍然高于2 mA。

总之，以上结果表明MAX22190/MAX22199能够产生5 V LED逻辑输出（及3.3 V等较低电压逻辑输出），同时仍然兼容3型数字输入。对于1型数字输入，情况非常简单，因为导通阈值为15 V，要高得多，因而LED引脚也能提供5 V逻辑电平，而不会对现场输入电流产生任何影响。

并行操作示例

图3显示了一个10 kHz现场输入（黄色曲线）及所产生的LED输出电压（蓝色曲线）。LED输出上使用了一个1.5 kΩ电阻，以提供3.3 V逻辑信号。毛刺滤波已禁用（默认旁路模式）。

图2.现场输入电流与LED引脚电压的依赖关系

关于切换条件下LED输出电流的瞬态行为，图3显示了10 kHz切换的情况。使用1.5 kΩ电阻将电流转换为电压。示波器截图显示，LED输出不会产生可能损坏逻辑输入器件的瞬态过冲或下冲。上升和下降时间很快，不会造成信号失真。

使用SPI接口

MAX22190/MAX22199具有SPI可编程滤波器，支持每通道毛刺/噪声滤波。这些器件提供8个最长20 ms的滤波时间常数。针对高速应用，可以旁路滤波器。选定的噪声滤波也适用于LED输出，以使视觉表现与电信号一致。

诊断通过SPI提供，例如低电源电压报警、过热警告、REFDI和REFWB引脚上的短路检测及现场输入的断线检测。

寄存器位的上电默认状态为：

所有8个输入都处于使能状态

所有输入滤波器都处于旁路状态

断线检测处于禁用状态

REFDI和REFWB（仅限MAX22199）引脚的短路检测处于禁用状态

因此，在不需要毛刺滤波（比如对于高速信号）和诊断的应用中，无需使用SPI接口。如果需要每通道可选的毛刺/噪声滤波，或者需要诊断检测功能，则可以使用SPI。

图3.10 kHz切换；通道1：现场输入；通道2：LED输出。

LED输出波形没有显示出过冲或其他不良的异常现象，例如导通状态下电压变化不定。这说明LED输出可以用作电压输出。我们对其特点和局限性进行了研究。

毛刺滤波

MAX22190和MAX22199提供每通道可选的毛刺滤波。下面以滤波时间设置为800 µs的200 Hz开关信号为例，展示毛刺滤波器对LED输出的影响。指定的毛刺宽度通过改变占空比来模拟。对正毛刺和负毛刺均进行了研究。

图4显示了750 µs正脉冲被800 µs毛刺滤波器滤除的示例。因此，正毛刺滤波对LED输出和SPI数据均有效。

图4.正毛刺滤波

然而，负毛刺并未在LED输出端被滤除，如图5所示，750 µs下降脉冲传播到LED输出端。这与使用SPI读出数据的情况不同，后者的正毛刺和负毛刺均被成功滤除。

图5.负毛刺滤波

图6显示了使能800 µs毛刺滤波器且输入以50%占空比切换时的LED输出信号。上升沿延迟约770 µs，而下降沿没有延迟。这说明滤波器未能妥善处理LED输出。

图6.对LED输出的滤波效应

高频切换

对于要求高开关频率、低传输延迟或低偏斜的应用，毛刺滤波会被禁用。在旁路模式（毛刺滤波器）和100 kHz输入下，LED输出产生图7所示的波形。下降沿显示出约60 ns的低传输延迟，但上升沿具有显著的传输延迟和抖动。上升沿抖动在±0.5 µs范围内，平均传输延迟为约1 µs。上升延迟和抖动的原因是约1 MHz的采样，如数据手册中所述。在下降沿不会发生采样，因此响应速度很快。

图7.100 kHz输入切换，滤波器旁路

这表明，LED输出具有最大约1.5 µs的上升时间/下降时间偏斜，并伴有抖动。通道间偏斜在下降沿较低，但在上升沿要高得多。这可能会限制LED输出在某些应用中的使用。

设计考量

本部分讨论LED输出引脚用作电压输出时需要考虑的一些事项。

为确保安全，应当对MAX22190/MAX22199电流驱动型LED输出的电压进行限制，使之不超过所驱动的逻辑输入的安全电平。虽然REFDI电阻将IN现场输入电流设置为典型电流水平，但实际IN电流存在±10.6%的容差，如数据手册中所述。因此，电阻两端的电压将在±10.6%范围内。逻辑输入通常存在严格规定的绝对最大额定值，如VL + 0.3 V，其中VL为逻辑电源电压。当连接两个逻辑信号时，通常使用公共VL电源来确保匹配，因为标准逻辑输出采用推挽或开漏输出，其最大输出电压由逻辑电源VL定义/限制。为了确保输入不超过绝对最大额定值，可以降低典型LED引脚的输出电压。或者，可以认为LED引脚的约2.3 mA输出电流不会对逻辑输入造成损害，因为逻辑输入通常设计成能够承受远高于此的闩锁电流（一般在50 mA至100 mA范围）。这需要针对所考虑的器件进行验证。第三种方案是通过箝位来限制电压，此方案相对而言不理想。

标准逻辑输出为推挽式，阻抗较低，为驱动逻辑输入提供了很好的灵活性。相比之下，LED输出是开漏输出，开关速度由下拉电阻和寄生电容决定。

在无额外电容的情况下，可以实现100 kHz及以上的开关频率。

结论

虽然根据文档的说明，MAX22190/MAX22199工业级数字输入用于串行数据操作，但它们也可用作提供8个并行输出的8通道输入模块。为实现此目的，原本用于视觉状态指示的LED驱动器被转用作基于电压或基于电流的逻辑输出。以这种方式使用并行操作时，是否使用SPI接口并非强制要求，用户可以获得所有诊断和器件配置功能，但也存在一些限制。