采用iC-haus接口芯片把微控制器接入工業世界

采用iC-haus接口芯片把微控制器接入工業世界

工業應用采用嵌入式微控制器時需要特別關注現場惡劣的噪聲環境。從供電電壓低至+1.5V或者+3.3V到24V工業界,需要仔細設計和決策專門的解決方案來達到安全和穩定的工作。

下面的文章描述不同的挑戰和設計考慮以及可能的解決方案滿足最大可能的功能安全和可靠性。

 

文章描述的內容如下:

  1. 工業界 -----一個不同的世界

  2. 有哪些設計挑戰

  3. 電平轉換器和驅動器輸出信號安全

  4. 采用分立元件還是 ASSP I/O 接口

  5. 處理24V輸入信號噪聲

  6. 驅動激光二極管/LED

  7. 哪些地方需要省電

  8. 概要

 

1)工業界 —— 一個不同的世界

 

  自從在1970年代發明微控制器以來微控制器趨向于更多的專用衍生和更多的功能和較低的技術門檻。集成更多功能,更大存儲器以及低功耗。

  對于一個給出的應用,每個人都在尋找“最佳的工作狀態”達到最低的成本,最小的空間和最小的功率消耗。為達到這些需求而采用一個新的單片機而辯論。最后的結果是微控制器的供電電壓持續降低,在某些情況下內核工作電壓低至0.8V,I/O接口電壓低至+1.5V。

  然而,在工業應用領域,大多數供電和邏輯電平依舊是+24V。使用+24V供電和邏輯電平適應工業應用領域的噪聲和惡劣的工作環境。由于這個原因,優秀的電子抗干擾性需要接口耐受高電流尖脈沖、磁干擾、靜電放電等等。大多情況下微控制器和工業界的電流或者電壓是一個10倍的關系。然而,我們要解決的是安培級或者是伏特級的問題,而不是毫安級或者毫伏級的問題。這就為硬件設計者提出了一個挑戰,在兩個領域隔離和轉換信號電平。這意味著從轉換低至1.5V的單片機邏輯電平到+24V的電壓擺率在輸出或者其他方向的輸入。

 

使用微控制器在嵌入式應用,例如,加工控制、機器人、自動化設備等等。意味著在某種程度上仔細地設計接口,那就是可靠和考慮到安全工作。也有許多標準適用于某些方面的功能安全,例如IEC 61580和EN 60204-1。

 

2)有哪些設計挑戰

 

就工業環境的本質,挑戰每個設計的是下面的這些需求:

  • 高電壓擺率隨著快速的dV/dt或者dI/dt轉換引起的輸入信號和輸出信號的交叉干擾

  • 接地回路由于系統的分布參數而改變接地電平

  • 系統或者軟件失效引起的激勵端損壞(例如,功率輸出級)

由于這些原因,在設計微控制器和+24V工業界之間的接口時下面的這幾點需要考慮:

  • 微控制器需要多高的電平轉換給輸出?

  • 微控制器需要多高的電平適應于其輸入?

  • 針對硬件或者軟件的故障如何保護輸出級?

  • 數字的和/或模擬的連接需要什么樣的濾波?

  • 工業I/O和微控制器之間需要強制的隔離?

  • 多大的功率上升和下降行為需要被考慮?

  • 哪些失效需要被監控以及如何監控?

  • 哪些地方是高功率消耗引起的熱斑(例如,高電流或者高頻率)?

3)電平轉換器和驅動器輸出信號安全

  最初考慮的是著眼于微控制器的I/O端口邏輯電平,然后是明確輸出需求的電流和電壓。例如,驅動高電流阻性負載,像加熱器或者執行機構,需要一個邏輯電平轉換和功率三極管或者FET功率前置-驅動器。圖1所示的例子是轉換+1.8V供電的微控制器邏輯電平,通過前置-驅動器,控制一個高電流+24V FET。來自微控制器的邏輯電平,這個FET支持的切換負載電流大于10安培。圖1所示的另一個選擇是連接一個高邊開關,例如,iC-DP,在36V供電時支持負載電流高達200毫安。

 

  因為在上電時微控制器的I/O端口已經連接到輸入,需要特別預防這里。為了避免在這個期間浮動的輸入電平轉換,如果下拉電阻沒有集成到器件內部,需要連接附加的下拉電阻,例如iC-MFL。

 

  另一個需要考慮的地方是輸出端短路的失效-安全保護監測,監控VCC電壓、地和芯片溫度。在實際應用中,輸出端失效將會引起損壞或者會傷害到使用者,或者損壞昂貴的設備,或許需要一個FMEA分析來滿足安全標準(例如,IEC 61508)。

 

  這需要在整個系統級、板級和芯片級做FMEA分析。對于此電平轉換和前置-驅動器iC-MFL,FMEA安全電路已經集成到芯片級,而且包括第二個地連接和特殊的地監控。

 

  對于iC-MFL,如果第一個地連接丟失(第一級失效),監控器清除所有的輸出到一個定義好的低電平,關閉所有的輸出功率級。或者微控制器通過一個低電平加到EN輸入關閉這個電平轉換器,同樣的操作會執行,輸入開路以及輸出短路。

圖1:電平轉換和驅動功率輸出

  iC-MFL的輸出級設計成最大輸出電壓為+18V。其他類型的驅動器,像iC-MFN,可用來處理不同的輸出電平并且可以直接供電從+24V到高達+40V。在許多嵌入式系統一些數量的輸入和輸出由于不同的機器配置可以不同以及在I/O端口需要一些不同的組合。

 

4)采用分立元件還是ASSP I/O 接口 ?

 

  I/O模塊化可以使用不同的方法。一個解決方案是板級方案,選擇一個不同的I/O模塊或者PCB,或者是在嵌入式電路板的芯片級方案。也可能是一個FPGA和分立元件組成的輸入或輸出級,或者使用專用的ASSP。這些特別的設計適用于靈活的和可編程的I/O配置。

  在嵌入式機械或者機器人應用,傳感器和執行機構有時候僅數米遠。如果它們采用屏蔽雙絞線電纜連接并且在中間接地,那么接地回路通常對輸入/輸出系統不會有問題。因此,在很多情況下,電隔離(例如,通過光電耦合器電流隔離)是不需要的。這對于系統設計者而言可以減少I/O端口的成本以及增加靈活性。

另一方面,數字I/O采用+24V邏輯電平被用來連接開關、數字傳感器和在輸入側通過長電纜進行低速串行通信。+24輸出也被用于驅動執行機構,例如,繼電器、電磁線圈、電機和指示器,例如,燈泡或者LED。對于高速串行傳輸(例如,SSI/BiSS編碼器)在一個高噪聲的環境,RS422也通常被使用橫跨超過100米的距離。為了達到可靠的工作,使用失效監控,在輸入端特別考慮如下:

 

  • I/O端口可能沒有可靠連接

  • 檢測開路、短路和連接斷開

  • 提供濾波器抑制噪聲、交叉干擾、尖峰或者機械開關跳動

  • 檢測已定義的信號傳輸用來產生微控制器中斷

 

在設計輸出端時考慮同樣重要,例如:

  • 耐受和檢測短路,檢測超溫

  • 限制燈具產生的浪涌電流以及抑制線圈關閉時產生的電壓尖峰

  • 支持脈沖輸出用于閃爍或功率降低

  切換負載使用高邊開關輸出是較多的首選方法,斷開或者接地負載不能影響+24V系統供電。監控不同的電路失效,例如,+24V供電不足,一些丟失地線連接以及由驅動器超溫引起的臨界狀態的應用。具有回讀輸出端口的選項,或者測量I/O端口的模擬電平用于更詳細的診斷對達到功能安全是非常有用的。測量I/O接口模擬電平的方法也用于+24V輸入端口。

  許多數字功能需要組合的I/O端口,可以在FPGA里做這些端口,然而模擬功能、+24 I/O 以及錯誤監控需要使用分立元件實現。一個專用的、可編程的以及組合的+24V I/O解決方案如圖2所示。這個例子是基于ASSP,它通過一個并行總線或者串行SPI接口連接到微控制器,幾乎各種微控制器都可以這樣使用。

  在此應用中電源和地是需要隔離的,iC-JX可以通用一個隔離的(例如使用光電耦合器)SPI接口連接。由于使用了很少的隔離線纜,這是一個明顯的成本優勢方案。這種情況下,iC-JX的邏輯供電可以從+24V通過一個電壓穩壓器提供+3.3V,和+5V給數字和模擬電路。

  iC-JX也提供所有I/O端口的回讀功能。另外,集成的16通道10位A/D轉換器支持端口觀察,例如,觀察+24V模擬輸入用于診斷功能。

  這些特性提供了功能安全、提高了在線維護能力以及失效檢測。當采用一個遙控診斷功能時這會顯著的減少維護成本。

  對于電壓調整器,iC-WD或者iC-DC可以產生兩個輸出電壓用于小的I/O子系統,它結合了一個開關模式的DC/DC轉換器和一個線性穩壓器。這會減小模擬電路的紋波以及保持電源自身的低消耗。

圖2:緊湊的通用I/O和光學隔離

  對于這個電路另外的安全性,如果一個錯誤狀態在微控制器內部產生,一個外部看門狗電路也可以監控微控制器是否有效以及禁用所有的16個I/O端口。

5)處理24V輸入信號噪聲

  在輸入信號噪聲方面,數字的或者模擬的濾波器需要避免被微控制器錯誤的讀入,對于數字信號,iC-JX輸入具有內建遲滯數字濾波選項。模擬輸入信號可以通過分立元件的濾波器或者內建的比較強濾波功能,例如,保持、遲滯或者RC電路。圖3所示的是iC-HC的保持功能影響輸入噪聲。

 

圖3:集成濾波的輸入噪聲濾波功能

此方案是典型的快速測量輸入電平以及內建電平轉換用于微控制器的輸入。此供電電壓和差分輸入電壓可以高達36V。省電方面,iC-HC比較器可以通過使能輸入切換到“零功耗”模式。

6)驅動激光二極管和LED

  使用一個微控制器驅動激光二極管需要恒流源和尖峰釋放開關來避免損壞昂貴的激光二極管。取決于電流和切換頻率,不同標準的驅動器允許平均電流控制(ACC)和/或平均功率控制(APC)。圖4所示的是集成解決方案iC-HG驅動三只激光二極管(或者LED陣列)帶可調節的恒流功能。

圖4:驅動RGB激光二極管/LED高達1安培的電流

  上圖是典型的RGB光源應用于不同的工業領域,例如激光模塊。當設計和測試快速激光驅動電路時,請看另一篇文章,

“設計和測試快速激光驅動器電路”。

7)哪些地方需要省電

  由于工業信號是高電壓擺率,功率消耗就成為一個值得注意的問題。對于輸出級,當轉換頻率升高時將會有超溫現象出現。一個典型的例子是24V線驅動用于串行通信子系統。

  一個可選的方案處理這個問題的方法是存儲沒有終端匹配的傳輸線反射的信號能量在電容里,并且使用這個能量為驅動器供電。這個方法可以節省高達50%的器件消耗能量,在轉換頻率小于250KHz時可以減少3個瓦特的器件熱消耗。因此,增加了穩定性和減少了散熱需求。iC-HX是一個24V線驅動器支持這個功能,僅需要增加一個電容。測試結果顯在傳輸速率為200KHz時,iC-HX的外殼溫度從100℃減小到70℃。

  減小線驅動的功耗是一個省電的例子。因此,所有運行在高頻率和高電流的系統的各個部分都應該仔細評估它們潛在的功率消耗(例如,使用低RDSONFET)。

  驅動繼電器和電磁閥也是一個特殊的情況,由于繼電器(電磁閥)的吸合或者釋放狀態的特性決定的。考慮到這個特性,驅動繼電器和電磁閥需要仔細考慮電路的級別。吸合時間在10-100毫秒時吸合電流需要大于兩倍的工作電流,取決于繼電器或者電磁閥的特性。超過吸合時間后電流可以減少至少三分之一。這可以采用分立元件的RC網絡或者脈寬調制電路(PWM)。當可靠吸合之后改變占空比或者改變頻率。PWM通過內建FPGA電路序列或者使用一個微控制器PWM輸出或者使用一個ASSP器件解決這個需求。

圖5:集成驅動繼電器(電磁閥)省電解決方案

  如果也需要繼電器或者電磁閥的監控功能,可以采用一個專用的ASSP。圖5所示的iC-GE電路用于驅動繼電器或者電磁閥,直接從36V供電,兼容典型的TTL輸入電平。此器件僅需外接RHOLD和RACT電阻定義所需要的吸合和保持電流。這個集成解決方案實際上改變電流允許相同的繼電器可以使用在不同供電電壓的應用。為了達到這點,不同供電電壓時,PWM輸出的占空比和頻率需要校準。

  這個專用的ASSP解決方案也集成了箝位二極管和維修指示。它也監控線圈的電流、欠壓和超溫。如果一個錯誤發生,LED燈會閃爍,也可以用來作為一個中斷給微控制器。如上所述,當驅動繼電器和電磁閥時,減小器件的功率消耗是可能的。通過特別的考慮,一個板級的解決方案可在項目設計階段解決。

7)概要

  如本文所述,當連接微控制器到工業界時有許多特殊的設計考慮。廣泛的使用微控制器作為嵌入式解決方案用于汽車、電機以及機械控制系統。當要連接到工業界時設計者需要考慮特殊的需求。幸好,iC-Haus專用的工業ASSP解決方案解決了這些負擔,以及解決了設計者在板級的許多問題。

   創意電子(www.weltronics.com

上傳時間:2013-09-06
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