把微控制器接入工业世界
日期：2021/12/20 17:28:00
工业生产运用选用内嵌式微控制器时必须特别关心当场极端的噪音自然环境。从配电电流低至 1.5V或是 3.3V到24V工业领域，必须细心设计方案和管理决策专业的解决方法来做到安全性和好的工作。下边的文章内容叙述不一样的试炼和设计方案考虑到及其很有可能的解决方法达到较大很有可能的功能安全和稳定性。1）工业领域 — 一个不一样的全球 自打在1970年代创造发明微控制器至今微控制器趋于大量的专用型衍化和大量的基本功能和较低的技术性门坎。集成化更多用途，更高储存器及其功耗低。 针对一个得出的运用，大家在找寻“最好的运行状态”做到最低标准的成本费，最少的区域和较小的电功率耗费。为达成这种要求而选用一个新的单片机设计而争辩。最终的結果是微控制器的配电工作电压不断减少，在某种情形下核心工作标准电压低至0.8V，I/O插口工作电压低至 1.5V。 殊不知，在工业生产主要用途,大部分配电和逻辑性电平依然是 24V。应用 24V配电和逻辑性电平融入工业生产主要用途的噪音和极端的办公环境。因为这一缘故，出色的电子器件抗干扰能力必须插口承受高电流尖单脉冲、磁影响、静电放电这些。大多数状况下微控制器和工业领域的电流或是工作电压是一个10倍的关联。殊不知，我们要处理的是皮安级或是是伏特等的问题，而不是mAh级或是毫伏级的问题。这就为硬件配置设计师明确提出了一个试炼，在2个行业防护和变换数据信号电平。这代表从变换低至1.5V的单片机设计逻辑性电平到 24V的电压摆率在输出或是其他角度的输入。应用微控制器在嵌入式开发，比如，生产加工操纵、智能机器人、自动化机械这些。代表着在某种意义上仔细地设计方案插口，那便是靠谱和充分考虑安全工作。也是有很多规范适用一些层面的功能安全，比如IEC 61580和EN 60204-12）有什么设计方案试炼就工业生产条件的实质，试炼每一个设计方案的是下边的这种要求：高电压摆率伴随着迅速的dV/dt或是dI/dt变换引发的输入数据信号和输出数据信号的交叉式影响接地装置控制回路因为系统软件的遍布主要参数而更改接地装置电平系统软件或是APP无效导致的奖励端毁坏（比如，输出功率输出级）因为这种缘故，在设计方案微控制器和 24V工业领域中间的插口时下边的这几个方面必须考虑到：微控制器必须多大的电平变换给输出？微控制器必须多大的电平融入于其输入？对于硬件配置或是APP的常见故障怎样维护输出级？数据的和/或仿真模拟的衔接必须怎样的过滤？工业生产I/O和微控制器中间必须强硬的防护？多少的输出功率升高和降低个人行为必须被考虑到？什么无效必须被监管及其怎样监管？哪些方面是大功率耗费造成的热斑（比如，高电流或是高频）？3）电平转化器和控制器输出数据信号安全性 最开始考虑到的是紧紧围绕微控制器的I/O端口号逻辑性电平，随后是确立输出要求的电流和工作电压。比如，推动高电流感性负载负荷，像电加热器或是执行器，必须一个逻辑性电平变换和输出功率三极管或是FET输出功率外置-控制器。图1所显示的案例是变换 1.8V配电的微控制器逻辑性电平，根据外置-控制器，操纵一个高电流 24V FET。来源于微控制器的逻辑性电平，这一FET适用的转换负荷电流超过10皮安。图1所显示的另一个挑选是联接一个高边电源开关，比如，iC-DP，在36V配电时适用负荷电流达到200mAh。 由于在通电时微控制器的I/O端口号早已联接到输入，必须尤其防止这儿。为了防止在这个期内波动的输入电平变换，假如下拉电阻沒有集成化到元器件內部，必须联接额外的下拉电阻，比如iC-MFL。 另一个必须考量的地点是输出端短路故障的无效-安全性维护检测，监管VCC工作电压、地和集成ic溫度。在具体运用中，输出端无效可能造成毁坏或是会损害到使用人，或是毁坏贵重的机器设备，也许必须一个FMEA剖析来达到检测标准（比如，IEC 61508）。 这须要在全部系统软件级、板级和射频收发器做FMEA剖析。针对此电平变换和外置-控制器iC-MFL，FMEA安全性电源电路早已集成化到射频收发器，并且包含第二个地联接和独特的地监管。 针对iC-MFL，假如第一个地联接遗失（第一级无效），监控消除全部的输出到一个界定好的低电平，关掉全部的输出输出功率级。或是微控制器根据一个低电平加进EN输入关掉这一电平转化器，一样的实际操作会实行，输入引路及其输出短路故障。iC-MFL的输出级设计方案成较大输出工作电压为 18V。其他类型的控制器，像iC-MFN，可以用来解决差异的输出电平而且可以立即配电从 24V到达到 40V。在很多嵌入式操作系统一些总数的输入和输出因为不一样的产品配置可以不一样及其在I/O端口号必须一些不一样的组成。4）选用分立元件或是ASSP I/O 插口 ? I/O模块化设计可以采用不一样的方式。一个解决方法是板级计划方案，挑选一个不一样的I/O控制模块或是PCB，或是是在内嵌式线路板的射频收发器计划方案。也可能是一个FPGA和分立元件构成的输入或输出级，或是应用专门的ASSP。这种尤其的规定适用灵便的和可编的I/O配备。 在内嵌式机械设备或是智能机器人运用，感应器和执行器有时仅数米远。假如他们选用双绞屏蔽线电缆线联接而且在中间接地装置，那麼接地装置控制回路通常对输入/输出系统软件不容易有什么问题。因而，在许多状况下，电防护（比如，根据光耦合器电流防护）是不用的。这针对系统软件设计师来讲可以降低I/O端口号的费用或提升灵敏性。另一方面，数据I/O选用 24V逻辑性电平被用于联接电源开关、数字传感器与在输入侧根据长电线开展低速档串口通信。 24输出也被用以推动执行器，比如，汽车继电器、磁铁线圈、电动机和指示仪，比如，电灯泡或是LED。针对快速串行通信传送（比如,SSI/BiSS伺服电机）在一个高噪音的自然环境，RS422也通常被应用跨过超出100米的间距。为了更好地做到靠谱的工作中，应用无效监管，在输入端尤其考虑到如下所示：I/O端口号很有可能沒有靠谱联接检验引路、短路故障和联接断掉给予过滤器抑止噪音、交叉式影响、顶峰或是机械设备电源开关颤动检验已界定的数据信号传送用于造成微控制器终断在设计方案输出端时考虑到是关键，比如：承受和检验短路故障，检验过热限定照明灯具造成的浪涌保护器电流及其抑止电磁线圈关掉时造成的工作电压顶峰适用单脉冲输出用以闪动或输出功率减少 转换负荷应用高边电源开关输出是较多的优选方式，断掉或是接地装置负荷不可以危害 24V系统软件配电。监管不一样的电源电路无效，比如， 24V配电不够，一些遗失接地线联接及其由控制器过热造成的临界阻尼的运用。具备回读输出端口号的选择项，或是精确测量I/O端口号的仿真模拟电平用以更详尽的确诊对做到功能安全是特别有效的。精确测量I/O插口仿真模拟电平的办法也用以 24V输入端口号。 很多数据作用必须组成的I/O端口号，可以在FPGA里做这种端口号，殊不知仿真模拟作用、 24 I/O 及其不正确监管必须应用分立元件完成。一个专用型的、可编的及其组成的 24V I/O解决方法如下图2所显示。这一事例是根据ASSP，它根据一个并行处理系统总线或是串行通信SPI接口联接到微控制器，几乎各种各样微控制器都能够那样应用。 在这里运用中开关电源和地是必须防护的，iC-JX可以通用性一个防护的(比如应用光耦合器)SPI接口联接。因为应用了非常少的防护电缆，这是一个显著的费用优点计划方案。这样的事情下，iC-JX的逻辑性配电可以从 24V根据一个电压稳压器给予 3.3V，和 5V给数据和数字集成电路。 iC-JX也给予全部I/O端口号的回读作用。此外，集成化的16安全通道10位A/D转化器适用端口号观查，比如，观查 24V仿真模拟输入用以确诊作用。 这种特点给予了功能安全、提升了线上维护保养工作能力及其无效检验。当选用一个遥控器确诊作用时这会明显的降低维护保养成本费。 针对电压调整器，iC-WD或是iC-DC可以造成2个输出工作电压用以小的I/O分系统，它融合了一个电源开关方式的DC/DC转化器和一个线形稳压电源。这会减少数字集成电路的谐波失真及其维持开关电源本身的低耗。 针对这一电源电路此外的安全系数，假如一个不正确情况在微控制器內部造成，一个外界看门狗电路还可以监管微控制器是不是合理及其禁止使用全部的16个I/O端口号。5）解决24V输入数据信号噪音 在输入数据信号噪音层面，数据的或是仿真模拟的过滤器必须防止被微控制器不正确的读取，针对模拟信号，iC-JX输入具备内建滞后数字滤波选择项。仿真模拟输入数据信号可以根据分立元件的过滤器或是內建的较为强过滤作用，比如，维持、滞后或是RC电路。图3所显示的是iC-HC的维持作用危害输入噪音。 此计划方案是非常典型的迅速精确测量输入电平及其内建电平变换用以微控制器的输入。此配电工作电压和差分信号输入工作电压可以达到36V。节电层面，iC-HC电压比较器可以根据也就能输入转换到“零功能损耗”方式。6）推动激光二极管和LED 应用一个微控制器推动激光二极管必须直流电源和顶峰释放出来电源开关来防止毁坏贵重的激光二极管。在于电流和转换工作频率，不一样规范的控制器容许均值电流操纵（ACC）和/或平均功率操纵（APC）。图4所显示的是集成化解决方法iC-HG推动三只激光二极管（或是LED列阵）带可调整的恒流电源作用。图中是非常典型的RGB灯源运用于不一样的工业生产行业，比如激光器控制模块。当设计方案和检测迅速激光器光耦电路时，可以看另一篇文章，“设计方案和检测迅速激光器控制器电源电路”。7）哪些方面必须节电 因为工业生产数据信号是高电压摆率，输出功率耗费就变成一个特别注意的问题。针对输出级，当变换工作频率上升时将会出现过热状况发生。一个典型性的案例是24V线推动用以串口通信分系统。 一个可选择的计划方案解决这个问题的办法是储存沒有终端设备配对的同轴电缆反射面的数据信号动能在电容器里，而且应用这一动能为控制器配电。这一方式可以节约达到50%的元器件耗费动能，在变换工作频率低于250KHz时可以降低3个泰利斯的元器件热耗费。因而，提升了可靠性和降低了排热要求。iC-HX是一个24V线控制器适用这一作用，仅必须提升一个电容器。检测結果显在传输速度为200KHz时，iC-HX的机壳溫度从100℃减少到70℃。 减少线推动的功能损耗是一个节电的事例。因而，全部运作在高频和高电流的系统软件的不同一部分都会认真评定他们潜在性的电功率耗费（比如，应用低RDSONFET）。 推动汽车继电器和真空电磁阀也是一个独特的状况，因为汽车继电器（真空电磁阀）的吸合或是释放出来情况的特点决策的。充分考虑这一特点，推动汽车继电器和真空电磁阀必须细心考虑到电源电路的等级。吸合時间在10-100ms时吸合电流必须超过二倍的工作中电流，在于汽车继电器或是真空电磁阀的特点。超出吸合時间后电流可以降低最少三分之一。这可以选用分立元件的RC互联网或是脉冲宽度调制电源电路（PWM）。当靠谱吸合以后更改pwm占空比或是更改工作频率。PWM根据內建FPGA电源电路编码序列或是应用一个微控制器PWM输出或是应用一个ASSP元器件处理这一要求。 假如也必须汽车继电器或是真空电磁阀的实时监控作用，可以选用一个专用型的ASSP。图5所显示的iC-GE电源电路用以推动汽车继电器或是真空电磁阀，立即从36V配电，兼容典型性的TTL输入电平。此元器件仅需外接RHOLD和RACT电阻定义所须要的吸合和维持电流。这一集成化解决方法事实上更改电流容许同样的汽车继电器可以运用在不一样配电工作电压的运用。为了更好地做到这一点，不一样配电工作电压时，PWM输出的pwm占空比和工作频率必须校正。 这一专用型的ASSP解决方法也集成化了箝位二极管和检修标示。它也监管电磁线圈的电流、欠压保护和过热。假如一个不正确产生，LED灯会闪动，还可以用于做为一个终断给微控制器。 如上所述，当推动汽车继电器和真空电磁阀时，减少元器件的电功率耗费是很有可能的。根据尤其的考虑到，一个板级的解决方法可在工程设计处理。 如文中上述，当联接微控制器到工业领域时有很多独特的设计方案考虑到。普遍的应用微控制器做为内嵌式解决方法用以车辆、电动机及其机械设备自动控制系统。若想联接到工业领域时设计师必须考虑到独特的要求。幸亏，iC-Haus专用型的工业生产ASSP解决方法解决了这种压力，及其解决了设计师在板级的众多问题。创作者：敬请资询官方网站或官网商城：主頁 | 或 http:// ** .wclbuy.com/
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