在配線櫃中將感測器、執行器連接到流程控制器仍然需要大量的人工作業，而且非常繁瑣。例如，如果在流程控制改造中需要將一個由數位輸出(DO)電壓驅動的閥門改為使用4~20mA類比輸出(AO)電流驅動，技術人員就必須到配線櫃，在硬體上將閥門連接從DO通道移到AO通道， 無論是連接不同的I/O模組還是更換I/O卡(如果使用的是機架式模組)。如果數位輸入(DI)感測器必須更改為類比輸入(AI)，也將面臨相同的操作。儘管自動化設計工程師在新的流程控制除錯階段，必須選擇具有充足通道(允許有一定的冗餘)的I/O模組，但隨著時間推移，感測器和執行器數量不斷增加，備用通道數量將越來越少，這會造成某種特定類型的通道數量不足以支援進一步流程改造的尷尬情況。對於需要一個AI通道但又沒有可用類比頻道的技術人員，那些備用的DI通道並無價值。技術人員面臨的另一難題是，在狹小擁擠的機櫃內可能無法添加一個新且昂貴的I/O模組。如果考慮到需要定期重新校準的不同類型的I/O通道，人工作業的工作量以及由此引發的產線停工時間將急遽增加。
工業通用I/O模組遠端校準/調整
流程自動化系統開發工程師當然期待一種可遠端配置並校準的通用I/O通道，能夠實現任何訊號(類比或數位)的任何功能(輸入或輸出、電壓或電流)操作，毋需技術人員到配線櫃現場實地工作。本文提出的設計方案中，首先簡要回顧了工業環境下所用感測器和執行器訊號的主要特徵，然後提出一款新的參考設計，該參考設計清晰指明了通往流程控制自動化的途徑—可遠端進行工廠校準、配置的通用I/O模組。
數位I/O
數位輸入和數位輸出訊號通常為0~24V 範圍的直流電壓。DI用於檢測分離液位、目標物件或指示按鈕開關的狀態。DO則用於驅動馬達、執行器或驅動電磁閥。這些I/O具有不同配置—高側(High-side)、低側(Low-side)和推拉式(Push-pull)，具體取決於負載參考端；驅動電流是其主要的技術指標，範圍從數百mA到數A不等。
類比I/O
類比I /O訊號為4~20mA電流訊號或0~10V的直流電壓(當然，也有雙極性訊號，甚至更寬範圍的電壓訊號)。AI接收來自感測器的訊號，用於精確測量距離、壓力、光強等；AO則用於精密控制執行器的運動和位置。
溫度
在工業環境中，溫度測量主要採用兩種類型的感測器之一：熱電偶(TC)或與二線/三線/四線電阻溫度感測器(RTD)。與RTD 相比，熱電偶堅固耐用、工作溫度範圍較寬，價格也相對便宜；RTD則更加穩定、具有較高精度和更好的線性度。訊號輸出電位取決於所使用的TC/RTD類型，可連接到AI通道。可靠性(例如要求符合IEC- 61000-4暫態抗擾性標準)是所有類型工業I/ O介面的關鍵指標。
通用I/O模組參考設計
對於近期推出的I/O模組，其整合度的提高意謂著模組的各個通道可配置為輸入或輸出，但類比域和數位域仍然保持分離。而在圖1所示的新型I/O模組參考設計功能框圖中，每個通用UIO(User Space I/ O)接腳均可透過軟體配置為類比輸入、類比輸出、DI、DO，以單個接地接腳(GND)為參考端。可配置模式包括：類比電壓輸入(0至+10V)、類比電流輸入(0至+20mA)、類比電壓輸出(0至+10V)和類比電流輸出(0至+20mA)。參考設計也可接受相容IEC 61131-2的Type 1、Type 2或Type 3的0~24V數位電壓輸入，或配置為推拉式數位輸出/高端數位輸出(驅動電流高達1.3A)。同時也支援電阻溫度感測器連接，進行溫度測量；支援熱電耦測量並提供內部冷端補償。利用產業標準的四線PCB 端子支援UIO模式，以及二線、三線或四線溫度測量。
模組的AI和AO功能透過MAX22000 實現，該元件為軟體可配置的類比輸入/輸出IC，可工作在電壓或電流模式。類比輸出訊號由內部18位元DAC產生，整合24位元ADC帶有低雜訊PGA，提供高壓和低壓輸入範圍，支援RTD測量。DI和DO功能則透過低漏電MAX14914A實現，該元件可作為高端/推拉式驅動器，也可配置工作在DI模式。除提供DIO功能外，MAX14914A也可監測高端和推拉模式下的輸出電流。可透過MAX22000通用型輸入/輸出(GPIO)上的GPIO獲得對應DO狀態的邏輯電位，這是高安全性應用中必不可少的一項功能。
軟體配置
這款通用I/O模組採用了微控制器和FPGA平台非常普及的標準12針Pmod連接器。為方便測試，模組可透過軟體GUI及USB-SPI轉換適配器進行配置，例如：可提供與電路板連接物理介面的USB2PMB2#。GUI介面有兩個標籤頁—通用I/O(Universal I/O)標籤頁(圖2)有一個下拉式功能表，可以選擇類比或數位、輸入或輸出配置。根據所選模式，GUI顯示與IC的內部連接簡化框圖，IC使能當前所選功能。
Analog Input標籤頁可用於監測目標參數，允許將UIO接腳的電壓或電流訊號與MAX22005的實測訊號進行比較；該元件為12通道、24位類比輸入元件。為便於兩個ADC核心之間的關聯，也提供十六進位結果。
校準
該模組的另一主要優勢是能夠可靠地透過板載MAX22005進行電壓和電流校準，該元件為12通道、工廠校準的類比輸入IC，可作為基準參考同時監測UIO接腳的類比訊號。該元件經過工廠校準，25℃下具有0.02% FSR精度，在±50℃範圍內，精度可達0.05% FSR。透過點擊GUI的Universal I/O標籤頁的「Autocal」，即可執行校準過程。圖3所示為UIO接腳和MAX22005的類比電壓訊號的FSR精度，兩者均優於對精密儀器的0.02% FSR預期，並呈現高度相關性。
電流測量的精度等級與之類似。圖4所示為使用Fluke 724校準器類比PT100 RTD感測器溫度讀數的精度。-100℃至+300℃範圍內，誤差保持在1℃之內；室溫下可達到0.02% FSR之內。整個模組在±50℃溫度變化範圍內的總精度達到0.1% FSR。
功率優化
電源追蹤功能可用於限制模組耗散的熱量。透過選用低靜態電流的線性穩壓器和高效降壓轉換器組合追蹤所要求的電源電壓。MAX17651可從直流輸入產生穩定的24V電源電壓，靜態電流只有8μA；MAX17532和MAXM17552降壓轉換器則產生多路類比輸出所需的電源電壓，其中一路可程式設計設置在4.2V至24V範圍的5 個預設值。該功能透過MAX22005的GPIO 接腳控制切換外部FET開關，進而選擇不同的回饋電阻實現。模組在常規條件下的耗流典型值為10mA，但如果選擇電流輸入或電流輸出模式，電流損耗會增大。LED綠燈用於指示是否存在外部電源。
可靠性
雖然該模組不能以當前的外型立即放置到現場使用，但在根據IEC 61131-2標準對工業設備的要求進行暫態抗擾性測試時，該模組依然表現出較高的可靠性。該模組可承受高達±1.0kV的突波，持續時間為1.2/50μs，訊號源總阻抗為42Ω。連續發送10個突波脈衝，線上與線、線與地之間進行了突波測試，模組持續保持正常工作且無損壞。IC內部資料和控制暫存器沒有受到損壞，透過主機介面卡的資料通訊沒有間斷。在現場連接端子處的測試表明，模組能夠承受高達±4kV埠對地的靜電放電，包括接觸放電和氣隙放電。未觀察到任何損壞，試驗後能夠正常與主機通訊。
從圖5可以清晰看出，選擇單個通用I/O 模組具有較高的靈活，可大幅節省空間，模組可執行四種獨立功能，透過軟體進行遠端配置和校準，能夠代替多個標準模組；這些標準模組只能執行單一功能，且要求手動配置和校準。
I/O模組設計提升工控設備可配置性
工業4.0要求工業設備具有更高的適應性和靈活性。迄今為止，重新接線或校準I/O介面時的人工作業是始終無法迴避的問題，大幅限制了流程控制智慧化的發展。本文介紹的遠端可配置I/O參考設計為新一代I/O模組設計提供了較高靈活性和可配置性。除I/O模組外，該參考設計及其配套IC也適用於PLC、DCS系統、智慧感測器和執行器領域等應用。
(本文作者Sean Long為ADI工業與醫療健康事業部執行總監；Konrad Scheuer為ADI首席技術人員)
