數(shù)字輸入串行器原理及輸入信號(hào)配置
[導(dǎo)讀]新一代的接口器件，被稱作數(shù)字輸入串行器 (DIS)，其在連接低功耗微控制器的同時(shí)能夠以最高能效方式對(duì)數(shù)字輸入電壓進(jìn)行檢測，檢測范圍最低可達(dá) 6Vdc，最高可達(dá)300 Vdc。 本文將介紹數(shù)字輸入串行器的工作原理及其低、中
新一代的接口器件，被稱作數(shù)字輸入串行器 (DIS)，其在連接低功耗微控制器的同時(shí)能夠以最高能效方式對(duì)數(shù)字輸入電壓進(jìn)行檢測，檢測范圍最低可達(dá) 6Vdc，最高可達(dá)300 Vdc。
本文將介紹數(shù)字輸入串行器的工作原理及其低、中、高壓輸入信號(hào)的配置情況。
工作原理
為了更好地理解 DIS 的工作原理，我們以完整的接口設(shè)計(jì)為背景來對(duì)這種器件進(jìn)行研究（請(qǐng)參見圖 1）。一般而言，高壓總線為一組傳感器開關(guān)即 S0 – S7 供電，其開/關(guān)狀態(tài)由器件的八個(gè)現(xiàn)場輸入即 IP0 – IP7 來檢測。內(nèi)部信號(hào)處理將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為低伏電平，并將其應(yīng)用于并行輸入、串行輸出移位寄存器的輸入。由于微控制器的負(fù)載脈沖作用于 /LD 輸入，因此內(nèi)部輸入數(shù)據(jù)被鎖閉到移位寄存器中。微控制器向 CLK 輸入施加一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)以串行方式將數(shù)據(jù)從 DIS 中移位，然后通過數(shù)字隔離器進(jìn)入一個(gè)控制器寄存器，這樣便完成了移位寄存器內(nèi)容的讀取。
高壓接口要求使用數(shù)字隔離器，目的是將劇烈變化的遠(yuǎn)距離傳感器開關(guān)接地電位，同控制器電子器件的局部接地電隔離。
IREF反過來又由內(nèi)部 1.25V 帶隙基準(zhǔn)與外部電阻器 RLIM的比計(jì)算得到：
. 方程式3
求解方程式3 得到 RLIM，即設(shè)置理想電流限制所需的電阻器值：
插入 VIP-ON的數(shù)值，然后代入方程式3 的 IIN-LIM計(jì)算結(jié)果，得到：
因此，針對(duì)各種應(yīng)用對(duì) DIS 進(jìn)行完全配置只需要兩個(gè)方程式，即方程式3 用于設(shè)置電流限制，而方程式7用于達(dá)到理想導(dǎo)通閾值電壓。根據(jù)這兩個(gè)方程式，表1 列出了不同輸入閾值電壓和電流限制的各種電阻器組合情況。
表1各種輸入配置
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VIN [V]
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VIN-ON [V]
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IIN-LIM[mA]
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RIN [kΩ]
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RLIM [kΩ]
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|
12
|
5.2
|
2
|
0
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44.8
|
|
34
|
5.2
|
2
|
0
|
44.8
|
|
34
|
10
|
2
|
2.4
|
44.8
|
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48
|
24
|
2
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9.4
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44.8
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100*
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50
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0.5
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89.6
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180
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350*
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150
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0.5
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290
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180
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* 要求齊納鉗位
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表 1 中的星號(hào)表示非常高的輸入電壓會(huì)超出最大器件電壓 34V。這種情況下，IPx 和接地之間連接的 30V 齊納二極管可防止器件輸入毀壞。將開關(guān)閾值設(shè)定在輸入電壓范圍的中間，即 VIN-ON = VIN-max/2，這時(shí)最大齊納電流將等于輸入電流限制，即 IZ-max = IIN-LIM，同時(shí)總輸入電流將為電流限制的兩倍。
若想節(jié)能，需將電流限制設(shè)定為 0.5mA。很明顯，在這種低輸入電流情況下，將指示器 LED 連接至 Rex 輸出沒有意義，因?yàn)槠洳粫?huì)亮起。相反，我們應(yīng)該將它們放置在 CMOS 輸出可以很容易地實(shí)現(xiàn) LED 驅(qū)動(dòng)功能的控制器端。
串行接口
圖1 表明對(duì)于高達(dá) 24V 標(biāo)稱值、或者 34V 最大值的總線電源來說，數(shù)字輸入串行器可以將總線電壓調(diào)低到 5V，以為數(shù)字隔離器或者微控制器提供充足的電源。但是，在高壓條件下，在DIS之前調(diào)低總線電源電壓，會(huì)極大地降低總功效。在非隔離應(yīng)用中，使用一個(gè)微型充電泵，并通過控制器電源為 DIS 提供備用電源，這樣做更利于提高能效。但是，在隔離式應(yīng)用中，要求一個(gè)隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來穿過隔離層提供控制器電源。
實(shí)施電氣隔離的原因是，數(shù)字輸入串行器一般用于檢測遠(yuǎn)距離安裝傳感器和信號(hào)源的輸出電壓，例如：AC 整流器的輸出，其接地電位明顯不同于本地控制器接地。將各種接地電位相互連接會(huì)引起大量接地環(huán)路電流流動(dòng)。使用數(shù)字隔離器可以防止出現(xiàn)這種情況。
如前所述，DIS 數(shù)字接口的控制很容易實(shí)施。系統(tǒng)控制器只需通過其通用輸出端之一，向 DIS 的/LD 輸入端發(fā)送一個(gè)短且低活躍度的負(fù)載脈沖，旨在將當(dāng)前的現(xiàn)場輸入狀態(tài)鎖存至 DIS 移位寄存器中。之后，它向 CLK 線路施加一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以串行方式移出寄存器內(nèi)容。
如圖2 所示，DIS 的移位寄存器結(jié)構(gòu)通過簡單地將前面器件的串行輸出 SOP 連接至后面器件的串行輸入 SIP，實(shí)現(xiàn)以菊花鏈方式連接多個(gè)器件。這種方法允許進(jìn)行高通道數(shù)目的緊湊型數(shù)字輸入模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)其僅使用了一個(gè)串行接口。
一次讀取多個(gè) DIS 器件的內(nèi)容時(shí)，較短的讀取周期時(shí)間便為基本要求，而標(biāo)準(zhǔn)微控制器 SPI 接口的最大速度已經(jīng)可以達(dá)到 10 MHz 或者 20 Mbps。但是，DIS 的串行接口可以支持高達(dá) 300 Mbps的數(shù)據(jù)速率，其甚至超出了一些高速隔離器的數(shù)據(jù)速率。因此，若想將讀取周期時(shí)間縮短至絕對(duì)最小值，便要求極高的時(shí)鐘頻率，同時(shí)還必須消除隔離器的傳播延遲。
正因如此，微控制器常常被現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 所取代，因?yàn)樗粌H僅具有高時(shí)鐘頻率，而且還允許實(shí)現(xiàn)接收時(shí)鐘輸入（如圖 2 藍(lán)色線條所示）。然后，由 FPGA 發(fā)送的相同時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過隔離器延遲，開始將寄存器內(nèi)容移出 DIS，同時(shí)與 SOP 信號(hào)一起通過另一個(gè)隔離器通道獲得反饋，從而保持接收時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的相位關(guān)系。
圖2隔離32-通道數(shù)字輸入模塊
結(jié)論
數(shù)字輸入串行器是低功耗控制器與高 DC 電壓接口連接的最通用解決方案。SN65HVS88x 系列數(shù)字輸入串行器支持低壓控制器和高壓應(yīng)用之間的接口設(shè)計(jì)，擁有各種各樣的特性，例如：欠壓檢測、電流限制、去抖動(dòng)濾波、散熱保護(hù)、奇偶發(fā)生以及單 5V 電源等。
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