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接纳iC-haus接口芯片把微控制器接入产业世界澳门新葡京8455

接纳iC-haus接口芯片把微控制器接入产业世界

产业使用接纳嵌入式微控制器时需求出格存眷现场卑劣的噪声情况。从供电电压低至+1.5V大概+3.3V到24V工业界,需求认真设想和决议计划专门的解决方案来到达安全和不变的事情。

上面的文章形貌差别的应战和设想思索以及能够的解决方案满意最大能够的功用安全和可靠性。

 

文章形貌的内容以下:

  1. 工业界 -----一个差别的世界

  2. 有哪些设想应战

  3. 电平转换器和驱动器输出旌旗灯号安全

  4. 接纳分立元件仍是 ASSP I/O 接口

  5. 处置24V输入旌旗灯号噪声

  6. 驱动激光二极管/LED

  7. 哪些地方需求省电

  8. 提要

 

1)工业界 —— 一个差别的世界

 

  自从在1970年月创造微控制器以来微控制器趋势于更多的公用衍生和更多的功用和较低的手艺门坎。集成更多功能,更大存储器以及低功耗。

  关于一个给出的使用,每个人都在寻觅“最好的事情形态”到达最低的本钱,最小的空间和最小的功率耗损。为到达这些需求而接纳一个新的单片机而辩说。最初的结果是微控制器的供电电压连续低落,在某些状况下内核事情电压低至0.8V,I/O接口电压低至+1.5V。

  但是,在产业应用领域,大多数供电和逻辑电平照旧是+24V。利用+24V供电和逻辑电平顺应产业应用领域的噪声和卑劣的事情情况。因为这个缘故原由,优良的电子抗干扰性需求接口耐受高电流尖脉冲、磁滋扰、静电放电等等。大多状况下微控制器和工业界的电流大概电压是一个10倍的干系。但是,我们要处理的是安培级大概是伏特级的成绩,而不是毫安级大概毫伏级的成绩。这就为硬件设计者提出了一个应战,在两个范畴断绝和转换旌旗灯号电平。这意味着从转换低至1.5V的单片机逻辑电平到+24V的电压摆率在输出大概其他标的目的的输入。

 

利用微控制器在嵌入式使用,比方,加工掌握、机器人、自动化装备等等。意味着在某种水平上认真地设想接口,那就是可靠和考虑到安全事情。也有很多尺度适用于某些方面的功用安全,比方IEC 61580和EN 60204-1。

 

2)有哪些设想应战

 

就产业情况的素质,应战每一个设想的是上面的这些需求:

  • 高电压摆率跟着快速的dV/dt大概dI/dt转换惹起的输入旌旗灯号和输出旌旗灯号的穿插滋扰

  • 接地回路因为体系的散布参数而改动接地电平

  • 体系大概软件生效惹起的鼓励端破坏(比方,功率输出级)

因为这些缘故原由,在设想微控制器和+24V工业界之间的接口时下面的这几点需求思索:

  • 微控制器需求多高的电平转换给输出?

  • 微控制器需求多高的电平顺应于其输入?

  • 针对硬件大概软件的毛病如何庇护输出级?

  • 数字的和/或模仿的毗连需求什么样的滤波?

  • 产业I/O和微控制器之间需求强迫的断绝?

  • 多大的功率上升和降落举动需求被思索?

  • 哪些生效需求被监控以及如何监控?

  • 哪些地方是高功率耗损惹起的热斑(比方,高电流大概高频次)?

3)电平转换器和驱动器输出旌旗灯号安全

  最后思索的是着眼于微控制器的I/O端口逻辑电平,然后是明白输出需求的电流和电压。比方,驱动高电流阻性负载,像加热器大概执行机构,需求一个逻辑电平转换和功率三极管大概FET功率前置-驱动器。图1所示的例子是转换+1.8V供电的微控制器逻辑电平,经由过程前置-驱动器,掌握一个高电流+24V FET。来自微控制器的逻辑电平,这个FET撑持的切换负载电流大于10安培。图1所示的另一个挑选是毗连一个高边开关,比方,iC-DP,在36V供电时撑持负载电流高达200毫安。

 

  由于在上电时微控制器的I/O端口曾经毗连到输入,需求出格防备这里。为了制止在这个时期浮动的输入电平转换,假如下拉电阻没有集成到器件内部,需求毗连附加的下拉电阻,比方iC-MFL。

 

  另一个需求思索的处所是输出端短路的生效-安全庇护监测,监控VCC电压、地和芯片温度。在实践使用中,输出端生效将会惹起破坏大概会损伤到使用者,大概破坏高贵的装备,大概需求一个FMEA阐发来满意安全标准(比方,IEC 61508)。

 

  这需求在全部体系级、板级和芯片级做FMEA阐发。对于此电平转换和前置-驱动器iC-MFL,FMEA安全电路曾经集成到芯片级,并且包罗第二个地毗连和特别的地监控。

 

  关于iC-MFL,假如第一个地毗连丧失(第一级生效),监控器肃清所有的输出到一个界说好的低电平,封闭所有的输出功率级。大概微控制器经由过程一个低电平加到EN输入封闭这个电平转换器,一样的操纵会施行,输入开路以及输出短路。

图1:电平转换和驱动功率输出

  iC-MFL的输出级设想成最大输出电压为+18V。其他范例的驱动器,像iC-MFN,可用来处置差别的输出电平而且能够间接供电从+24V到高达+40V。在很多嵌入式体系一些数目的输入和输出因为差别的机器配置能够差别以及在I/O端口需求一些差别的组合。

 

4)接纳分立元件仍是ASSP I/O 接口 ?

 

  I/O模块化能够利用差别的办法。一个解决方案是板级计划,挑选一个差别的I/O模块大概PCB,大概是在嵌入式电路板的芯片级计划。也能够是一个FPGA和分立元件构成的输入或输出级,大概利用公用的ASSP。这些特别的设想适用于灵敏的和可编程的I/O设置。

  在嵌入式机器大概机器人使用,传感器和执行机构有时候仅数米远。假如它们接纳屏障双绞线电缆毗连而且在中央接地,那么接地回路凡是对输入/输出体系不会有成绩。因而,在许多状况下,电断绝(比方,经由过程光电耦合器电流断绝)是不需要的。这关于体系设计者而言能够削减I/O端口的本钱以及增长灵活性。

另一方面,数字I/O接纳+24V逻辑电平被用来毗连开关、数字传感器和在输入侧经由过程长电缆停止低速串行通讯。+24输出也被用于驱动执行机构,比方,继电器、电磁线圈、机电和指示器,比方,灯胆大概LED。关于高速串行传输(比方,SSI/BiSS编码器)在一个高噪声的情况,RS422也凡是被利用高出超越100米的间隔。为了到达可靠的事情,利用生效监控,在输入端出格思索以下:

 

  • I/O端口能够没有可靠毗连

  • 检测开路、短路和毗连断开

  • 供给滤波器抑止噪声、穿插滋扰、尖峰大概机器开关跳动

  • 检测已界说的旌旗灯号传输用来发生微控制器中止

 

在设想输出端时思索一样主要,比方:

  • 耐受和检测短路,检测超温

  • 限定灯具发生的浪涌电流以及抑止线圈封闭时发生的电压尖峰

  • 撑持脉冲输出用于闪灼或功率低落

  切换负载利用高边开关输出是较多的首选办法,断开大概接地负载不能影响+24V体系供电。监控差别的电路生效,比方,+24V供电不敷,一些丧失地线毗连以及由驱动器超温惹起的临界状态的使用。具有回读输出端口的选项,大概丈量I/O端口的模仿电平用于更具体的诊断对到达功用安全长短常有效的。丈量I/O接口模仿电平的办法也用于+24V输入端口。

  很多数字功用需求组合的I/O端口,能够在FPGA里做这些端口,但是模仿功用、+24 I/O 以及毛病监控需求利用分立元件实现。一个公用的、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,它经由过程一个并行总线大概串行SPI接口毗连到微控制器,险些各类微控制器都能够如许利用。

  在此使用中电源和地是需求断绝的,iC-JX能够通用一个断绝的(比方利用光电耦合器)SPI接口毗连。因为利用了很少的断绝线缆,这是一个较着的本钱优势计划。这种情况下,iC-JX的逻辑供电能够从+24V经由过程一个电压稳压器供给+3.3V,和+5V给数字和模仿电路。

  iC-JX也供给所有I/O端口的回读功用。另外,集成的16通道10位A/D转换器撑持端口察看,比方,察看+24V模仿输入用于诊断功用。

  这些特性供给了功用安全、提高了在线保护才能以及生效检测。当接纳一个遥控诊断功用时这会明显的削减保护本钱。

  关于电压调整器,iC-WD大概iC-DC能够发生两个输出电压用于小的I/O子系统,它分离了一个开关模式的DC/DC转换器和一个线性稳压器。这会减小模仿电路的纹波以及连结电源本身的低消耗。

图2:松散的通用I/O和光学断绝

  关于这个电路另外的安全性,假如一个毛病形态在微控制器内部发生,一个内部看门狗电路也能够监控微控制器能否有用以及禁用所有的16个I/O端口。

5)处置24V输入旌旗灯号噪声

  在输入旌旗灯号噪声方面,数字的大概模仿的滤波器需求制止被微控制器毛病的读入,关于数字信号,iC-JX输入具有内建迟滞数字滤波选项。模仿输入旌旗灯号能够经由过程分立元件的滤波器大概内建的比力强滤波功用,比方,连结、迟滞大概RC电路。图3所示的是iC-HC的连结功用影响输入噪声。

 

图3:集成滤波的输入噪声滤波功用

此计划是典范的快速丈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能够高达36V。省电方面,iC-HC比力器能够经由过程使能输入切换到“zero功耗”模式。

6)驱动激光二极管和LED

  利用一个微控制器驱动激光二极管需求恒流源和尖峰开释开关来制止破坏高贵的激光二极管。取决于电流和切换频次,差别尺度的驱动器许可均匀电流掌握(ACC)和/或平均功率掌握(APC)。图4所示的是集成解决方案iC-HG驱动三只激光二极管(大概LED阵列)带可调理的恒流功用。

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图4:驱动RGB激光二极管/LED高达1安培的电流

  上图是典范的RGB光源应用于差别的产业范畴,比方激光模块。当设想和测试快速激光驱动电路时,请看另外一篇文章,

“设想和测试快速激光驱动器电路”。

7)哪些地方需求省电

  因为产业旌旗灯号是高电压摆率,功率耗损就成为一个值得留意的成绩。关于输出级,当转换频次降低时将会有超温征象呈现。一个典范的例子是24V线驱动用于串行通讯子系统。

  一个可选的计划处置这个问题的办法是存储没有终端婚配的传输线反射的旌旗灯号能量在电容里,而且利用这个能量为驱动器供电。这个办法能够节流高达50%的器件耗损能量,在转换频次小于250KHz时能够削减3个瓦特的器件热耗损。因而,增长了稳定性和削减了散热需求。iC-HX是一个24V线驱动器撑持这个功用,仅需求增长一个电容。测试成果显在传输速率为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。因而,所有运转在高频次和高电流的体系的各个部门都该当认真评价它们潜伏的功率耗损(比方,利用低RDSONFET)。

  驱动继电器和电磁阀也是一个特别的状况,因为继电器(电磁阀)的吸合大概开释形态的特性决议的。考虑到这个特性,驱动继电器和电磁阀需求认真思索电路的级别。吸合工夫在10-100毫秒时吸合电流需求大于两倍的事情电流,取决于继电器大概电磁阀的特性。超越吸合工夫后电流能够削减最少三分之一。这能够接纳分立元件的RC网络大概脉宽调制电路(PWM)。当可靠吸合以后改动占空比大概改动频次。PWM经由过程内建FPGA电路序列大概利用一个微控制器PWM输出大概利用一个ASSP器件处理这个需求。

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图5:集成驱动继电器(电磁阀)省电解决方案

  假如也需求继电器大概电磁阀的监控功用,能够接纳一个公用的ASSP。图5所示的iC-GE电路用于驱动继电器大概电磁阀,间接从36V供电,兼容典范的TTL输入电平。此器件仅需外接RHOLD和RACT电阻界说所需求的吸合和连结电流。这个集成解决方案实际上改动电流许可不异的继电器能够利用在差别供电电压的使用。为了到达这点,差别供电电压时,PWM输出的占空比和频次需求校准。

  这个公用的ASSP解决方案也集成了箝位二极管和维修唆使。它也监控线圈的电流、欠压和超温。假如一个毛病发作,LED灯会闪灼,也能够用来作为一个中止给微控制器。如上所述,当驱动继电器和电磁阀时,减小器件的功率耗损是能够的。经由过程特别的思索,一个板级的解决方案可在项目设想阶段处理。

7)提要

  如本文所述,当毗连微控制器到工业界时有很多特别的设想思索。普遍的利用微控制器作为嵌入式解决方案用于汽车、机电以及机器控制系统。当要毗连到工业界时设计者需求思索特别的需求。幸亏,iC-Haus公用的产业ASSP解决方案处理了这些承担,以及处理了设计者在板级的很多成绩。

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上传工夫:2013-09-06