無論是用于過程控制安裝還是工業自動化系統，I/O模塊或現場接線盒在整個產品生命周期中都面臨著各種獨特的挑戰。

產品管理面臨著每個產品需要多少渠道和哪些組合的決策。電子設計人員必須決定如何為項目中的各種模擬或數字信號實現最佳性能和經濟高效的系統。安裝技術人員可能會被所有不同的產品和眾多的接線方案所淹沒。使用軟件可配置輸入/輸出（SWIO）IC可以緩解其中的許多困難，使系統能夠隨時支持任何引腳上的任何功能和任何組合。

對于過程控制或工廠自動化中的工業可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統（DCS），最終客戶和應用有不同的要求。對于產品經理來說，定義正確的產品、戰略和優化是一項艱巨的任務。1 一個終端客戶可能需要更多的模擬輸出通道，例如 4 mA 至 20 mA，而另一個客戶則需要更多的數字輸入。或者，同一客戶可以為一個平臺要求更多的模擬通道，而另一個平臺需要更多的數字通道。這種困境的示例如圖 1 所示。隨著工業4.0的興起，制造商需要靈活的系統，能夠快速輕松地適應不斷變化的需求，所有這些都是由消費者行為和需求的變化驅動的。因此，他們不能再依賴為大眾市場產品和可預測需求而設計的固定、大規模系統。相反，需要靈活的系統，可以在最短的停機時間和資本投資下快速重新配置。

圖1.通道號和配置可能性。

SWIO元件使其通道不僅可以編程為輸入或輸出，還可以編程為模擬或數字。此外，它們可以有效地設置為讀取2線或3線RTD或熱電偶。

軟件可配置I/O還可以作為以太網控制網絡的橋梁，因為它可以進一步應用于需要更新10BASE-T1L工業以太網系統的棕地安裝。它支持開發標準化、可配置的現場I/O單元，這些單元能夠在現有的HART?支持的4 mA至20 mA傳感器和執行器與10BASE-T1L或100米光纖回程之間進行轉換。

圖 2 顯示了如何為工業應用實現軟件可配置的 I/O。這種架構還可用于過程控制、工廠自動化或樓宇控制應用。本例中使用的可配置器件是AD74413R，這是一款四通道SWIO器件，內置16位Σ-∑Δ型ADC和4個13位DAC，采用9 mm × 9 mm、64引腳LFCSP封裝，支持–40°C至+105°C工作溫度范圍。

圖2.軟件可配置I/O組件和典型應用示例。

每個軟件可配置I/O通過SPI總線上的配置寄存器進行控制，SPI總線的時鐘可達24 MHz。 用戶可以通過寄存器映射優化每種操作模式的默認配置。每個ADC可以通過單個轉換請求測量四個通道中的一個或多個通道上的電流或電壓，以及多達四個診斷輸入。在本例中，轉換速率高達4.8 kSPS，并提供可選的50 Hz和60 Hz抑制濾波器。

每通道13位R串DAC本質上是單調和線性的。這些DAC支持高達25 mA的電流輸出，并具有用于故障診斷的開路檢測功能。同樣，它們可以提供真正的0 V至11 V范圍的電壓輸出。對于成本敏感型應用，高精度內部基準可以驅動DAC和ADC，而當需要最高性能時，可以使用外部基準。

可能的功能和操作模式

每個通道的功能概述如表1所示。該組件可支持電壓輸出、電流輸出、電壓輸入、電流輸入（外部供電）、電流輸入（環路供電）、外部RTD測量、數字輸入邏輯和環路供電數字輸入。上電或器件復位后的默認功能還有高阻抗模式。

表 1.可能的功能選擇

電壓輸出放大器可產生高達11 V的單極性電壓。內部低壓電荷泵允許放大器產生一個真正的零輸出電壓。在這種模式下，一個外部檢測電阻提供電流反饋（力電壓測量電流FVMI方法），而SENSEL_x引腳上的負反饋調節正確的電壓電平。

在電流輸出模式下，DAC提供電流輸出（通常為0 mA至25 mA），通過檢測傳感器電阻（SENSEL_x和SENSEH_x引腳）上的差分電壓進行調節。為了在存在低阻性負載的情況下降低芯片上的功耗，可以連接外部PMOS以傳遞0 mA至25 mA輸出電流。

電流輸入模式可支持外部供電和環路供電配置。16位Σ-Δ型ADC自動測量流經檢測電阻的電流。可濾波檢測引腳（SENSEHF_x和SENSELF_x）用于此目的。此外，兩種類型的電流輸入功能都具有額外的HART兼容模式，確保接收阻抗最小為230 Ω 2。

電壓輸入模式通過其中一個濾波端口（SENSELF_x）和接地檢測測量ADC的電壓。可以選擇針對浮動電壓的附加下拉選項。在電壓輸入模式下，由于ADC中的專用范圍設置，也可以讀取熱電偶讀數。

電阻測量模式偏置外部2線RTD，電壓源自2.5 V偏置。使用上拉電阻偏置電壓，將確保精確的比率測量。低激勵電流使功耗降至最低，降低了RTD的自發熱。

數字輸入模式支持 IEC 61131-2 I、II 和 III 類設備。閾值可通過專用寄存器進行編程。每個通道都有一個專用的通用輸出（GPO）和用戶可編程去抖動濾波。

穩健性和診斷性

由于工業環境的性質，軟件可配置I/O必須設計為在嘈雜環境中具有魯棒性，并能夠承受過壓情況，如接線錯誤和浪涌事件。片上線路保護器可防止螺絲端子在連接到比AVDD引腳更高的電位時將功率釋放到IC中。額外的TVS二極管可用于承受輸入/輸出端子上的高浪涌。為了進一步提高魯棒性，SPI接口內置了循環冗余校驗（CRC）。

圖3.帶有電源管理單元（ADP1032）的軟件可配置I/O器件（AD7441xR）的典型應用電路。

診斷功能可確保可配置的 I/O 功能正常運行，并針對最常見的故障情況提供警告。片上診斷功能可監控電源電壓、基準電壓源、芯片溫度（如報警或關斷）和螺絲端子。當端子上連接的故障電壓高于AVDD或低于0 V時，最后一個因素的診斷有助于檢測接線錯誤。外部檢測電阻器進一步有助于診斷和正常工作。例如，它為電壓模式提供短路檢測，或者幫助調節電流輸出模式。用戶還可以選擇對自己的診斷程序進行編程，以測試連接的傳感器/執行器，因為系統可以強制電壓或電流，并從現場設備讀取電流或電壓響應。

如果發生警報情況，則 ALERT 引腳將置位。ALERT_STATUS寄存器確定故障源。

配套實現

一個常見的應用要求是I/O模塊或PLC具有微處理器隔離功能，或者它們在總線側具有電子控制單元。數據和電源都應電隔離。出于這兩種目的，專用電源和數據隔離器都可以用于此目的。例如，ADP1032是一款高性能隔離電源管理單元（PMU），包括一個帶降壓穩壓器和數據隔離通道的隔離式反激式（見圖2）。

兩個穩壓器相移，以實現極低的電磁干擾 （EMI）。電流模式反激式控制器可提供6 V至28 V電源。它具有欠壓鎖定 （UVLO）、過流/過壓保護、使能控制、軟啟動和壓擺率控制。此外，它還具有七個低功耗數字隔離通道，其中四個用于SPI，三個用于通用通信。

I/O模塊的另一個典型需求是驅動繼電器或燈。例如，AD74413R具有GPO，也可以編程為特殊數字輸出（DO）。利用外部PMOS和限流控制器（如ADM1270），該引腳可以調節幾百毫安的電流，用于驅動繼電器或燈。這為此類感性或電阻性負載提供了浪涌電流限制和過流保護。典型的應用示例可在AD74413R的評估板上找到。

當需要HART調制時，AD5700可以為基于AD74413R的系統提供調制解調器功能。

由于本文涵蓋工業應用，因此我們主要討論AD74413R。還有一款更輕的版本，稱為AD74412R，適用于樓宇控制應用。它具有–40°C至+85°C的更低工作溫度范圍，電流輸入和輸出精度更寬松，電源電壓高達26.4 V。

借助軟件可配置的 I/O，制造商可以開發一個平臺來取代多個老化的固定功能 I/O 模塊。此外，他們可以在多個終端應用中使用這項技術，在這些應用中，I/O 會隨著每次安裝而動態變化。對于傳統上依賴于具有多個 I/O 模塊和每種通道類型指定接線的控制柜的系統，對硬件的需求消失了，因為最終用戶現在可以安裝可從控制室編程的單個模塊，從而有助于降低產品管理、物流、制造和支持成本。SWIO技術還可以作為基于以太網的控制網絡的橋梁，因為它可以應用于已經可用的安裝。

審核編輯：郭婷