原创 采用iC-haus接口芯片把微控制器接入工业世界（二）

                   采用iC-haus接口芯片把微控制器接入工业世界（二）

 马超群（Email:ma.chaoqun@126.com QQ:331332430）

许多数字功能需要组合的I/O端口，可以在FPGA里做这些端口，然而模拟功能、+24 I/O 以及错误监控需要使用分立元件实现。一个专用的、可编程的以及组合的+24V I/O解决方案如图2所示。这个例子是基于ASSP，它通过一个并行总线或者串行SPI接口连接到微控制器，几乎各种微控制器都可以这样使用。

在此应用中电源和地是需要隔离的，iC-JX可以通用一个隔离的(例如使用光电耦合器)SPI接口连接。由于使用了很少的隔离线缆，这是一个明显的成本优势方案。这种情况下，iC-JX的逻辑供电可以从+24V通过一个电压稳压器提供+3.3V，和+5V给数字和模拟电路。

iC-JX也提供所有I/O端口的回读功能。另外，集成的16通道10位A/D转换器支持端口观察，例如，观察+24V模拟输入用于诊断功能。

这些特性提供了功能安全、提高了在线维护能力以及失效检测。当采用一个遥控诊断功能时这会显著的减少维护成本。

对于电压调整器，iC-WD或者iC-DC可以产生两个输出电压用于小的I/O子系统，它结合了一个开关模式的DC/DC转换器和一个线性稳压器。这会减小模拟电路的纹波以及保持电源自身的低消耗。

图2：紧凑的通用I/O和光学隔离

对于这个电路另外的安全性，如果一个错误状态在微控制器内部产生，一个外部看门狗电路也可以监控微控制器是否有效以及禁用所有的16个I/O端口。

5)       处理24V输入信号噪声

在输入信号噪声方面，数字的或者模拟的滤波器需要避免被微控制器错误的读入，对于数字信号，iC-JX输入具有内建迟滞数字滤波选项。模拟输入信号可以通过分立元件的滤波器或者内建的比较强滤波功能，例如，保持、迟滞或者RC电路。图3所示的是iC-HC的保持功能影响输入噪声。

图3：集成滤波的输入噪声滤波功能

此方案是典型的快速测量输入电平以及内建电平转换用于微控制器的输入。此供电电压和差分输入电压可以高达36V。省电方面，iC-HC比较器可以通过使能输入切换到“零功耗”模式。

6)   驱动激光二极管和LED

使用一个微控制器驱动激光二极管需要恒流源和尖峰释放开关来避免损坏昂贵的激光二极管。取决于电流和切换频率，不同标准的驱动器允许平均电流控制（ACC）和/或平均功率控制（APC）。图4所示的是集成解决方案iC-HG驱动三只激光二极管（或者LED阵列）带可调节的恒流功能。

图4：驱动RGB激光二极管/LED高达1安培的电流

上图是典型的RGB光源应用于不同的工业领域，例如激光模块。当设计和测试快速激光驱动电路时，请看另一篇文章，“设计和测试快速激光驱动器电路”。

7）哪些地方需要省电

由于工业信号是高电压摆率，功率消耗就成为一个值得注意的问题。对于输出级，当转换频率升高时将会有超温现象出现。一个典型的例子是24V线驱动用于串行通信子系统。

一个可选的方案处理这个问题的方法是存储没有终端匹配的传输线反射的信号能量在电容里，并且使用这个能量为驱动器供电。这个方法可以节省高达50%的器件消耗能量，在转换频率小于250KHz时可以减少3个瓦特的器件热消耗。因此，增加了稳定性和减少了散热需求。iC-HX是一个24V线驱动器支持这个功能，仅需要增加一个电容。测试结果显在传输速率为200KHz时，iC-HX的外壳温度从100℃减小到70℃。

减小线驱动的功耗是一个省电的例子。因此，所有运行在高频率和高电流的系统的各个部分都应该仔细评估它们潜在的功率消耗（例如，使用低R_DSONFET）。

驱动继电器和电磁阀也是一个特殊的情况，由于继电器（电磁阀）的吸合或者释放状态的特性决定的。考虑到这个特性，驱动继电器和电磁阀需要仔细考虑电路的级别。吸合时间在10-100毫秒时吸合电流需要大于两倍的工作电流，取决于继电器或者电磁阀的特性。超过吸合时间后电流可以减少至少三分之一。这可以采用分立元件的RC网络或者脉宽调制电路（PWM）。当可靠吸合之后改变占空比或者改变频率。PWM通过内建FPGA电路序列或者使用一个微控制器PWM输出或者使用一个ASSP器件解决这个需求。

图5：集成驱动继电器（电磁阀）省电解决方案

如果也需要继电器或者电磁阀的监控功能，可以采用一个专用的ASSP。图5所示的iC-GE电路用于驱动继电器或者电磁阀，直接从36V供电，兼容典型的TTL输入电平。此器件仅需外接RHOLD和RACT电阻定义所需要的吸合和保持电流。这个集成解决方案实际上改变电流允许相同的继电器可以使用在不同供电电压的应用。为了达到这点，不同供电电压时，PWM输出的占空比和频率需要校准。

这个专用的ASSP解决方案也集成了箝位二极管和维修指示。它也监控线圈的电流、欠压和超温。如果一个错误发生，LED灯会闪烁，也可以用来作为一个中断给微控制器。如上所述，当驱动继电器和电磁阀时，减小器件的功率消耗是可能的。通过特别的考虑，一个板级的解决方案可在项目设计阶段解决。

7）概要

如本文所述，当连接微控制器到工业界时有许多特殊的设计考虑。广泛的使用微控制器作为嵌入式解决方案用于汽车、电机以及机械控制系统。当要连接到工业界时设计者需要考虑特殊的需求。幸好，iC-Haus专用的工业ASSP解决方案解决了这些负担，以及解决了设计者在板级的许多问题。