数位/二进位感测器和开关对信号监测和系统控制至关重要，广泛用于工业控制、工业自动化、电动机控制和过程自动化。由于所有感测器的输出都需要由中央处理单元(CPU)检测和监测，我们通常利用可程式设计逻辑控制器(Programmable Logic Controller; PLC)数位输入模组中的两个高功率电阻分压器检测感测器输出电压。运用独立的光耦合器隔离每个感测器通道，再根据系统复杂度来衡量需要多少个光耦合器。如图1所示，一般系统需要多个光耦合器。

　　图一: 传统工业感测器监测系统原理图，其中电阻分压器和光耦合器用于监测和检测感测器输出至系统PLC的信号

　　在这种传统架构中电阻分压器消耗的功率较大，会形成电路板(PCB)上的「热点」，故装置在设计上必须能够支援高温运作以及增加散热器，热点同时也降低了系统可靠性。此外，多光耦合器设计还会增加高通道数量模组的成本和功耗，也浪费宝贵的电路板空间。因此，精密、精简的隔离数位输入介面较有利于工业生产。

　　简化PLC的数位输入

　　我们都知道整合装置能够达到这个要求，但是知易行难。先前的方法是在保持简单介面的前提下，增加通道输入以扩展系统容量。现在，我们转而考虑数据串列化，并寻求能减少隔离用光耦合器数量的方法。如图2所示，藉由以可配置的限流以降低功耗、改善检错功能，以及增加同一介面上资料传输可靠性等方法，将使数位输入功能更具有弹性也更稳定，同时也能降低产生的热能与功耗、节省空间并大幅降低生产成本。

　　图二: 传统设计方案与Corona (MAX31911)设计方案中单一输入通道的电流-电压关系比较

　　隔离数位输入介面参考应用设计

　　以上设计目标的解决方案就是，使用数位输入转换器/串列器和数位隔离器的Corona隔离子系统参考设计。Corona设计提供PLC数位输入模组的前端介面电路，能够支援高达36V的高压输入，同时将电源和资料隔离，并统整在90mm x 20mm小尺寸封装中。该设计整合了八通道数位输入电压转换器/串列器、六通道资料隔离器，还有若现场无电源时，隔离电源设计的H桥变压器驱动器。我们再进一步讨论此参考设计的硬体和软体。

　　硬体说明

　　图3为Corona输入模组;图4为系统结构图。

　　图三: Corona参考设计电路板(MAXREFDES12#)

　　图四: 数位输入子系统参考设计图。图中U1为MAX31911八通道电压转换器/串列器，U3为MAX14850 6通道资料隔离器

　　这项设计中，工业数位输入串列器(U1)将感测器和开关的24V数位输出进行电压转换、信号调理以及数据串列化，并转换成符合微控制器需求的CMOS相容信号。此元件提供PLC数位输入模组前端介面电路，与传统的分立电阻分压方案相比，输入限流可有效降低现场电源的消耗。图2为单一输入通道内电流与电压关系在两种方案中的比较。可选择的晶片上低通滤波器让感测器能灵活地去抖和滤波。晶片上8至1串列化能减少隔离所需的光耦合器，每8位元资料通过SPI埠就发送一次多位CRC校验，确保高杂讯工业环境下能维持通信稳定运作。为提升灵活度，片上整合的5V电压稳压器可为外部光耦合器、数位隔离器或其它外部5V电路供电。

　　U3 (MAX14850)与Pmod?相容的尺寸规格能达到6通道资料隔离。Pmod规范适用于3.3V和5V模组以及各种引脚分配。Pmod的供电电压可为3.3V或5V;U1侧的电压为5V。支援的资料隔离为600VRMS。

　　多数情况下，U1 (MAX31911)由24V现场电源供电;如果无现场电源可供使用，U1可由控制器供电。后者Corona电路板上的H桥变压器驱动器(U2，MAX13256)和变压器为MAX31911提供使用等级的隔离电源。

　　软体说明

　　Corona设计经过Nexys? 3和ZedBoard TM平台验证，目前已提供这两种平台的专案档案、元件驱动器以及示范代码。由于板载Pmod相容连接器非常简单，所以Corona设计很容易用于任何微控制器或FPGA开发电路板。

　　总结

　　本文介绍Corona (MAXREFDES12#)子系统参考设计如何为工业控制和自动化应用装置提供结构紧凑而简单的隔离数位输入介面。Corona设计提供八个数位输入通道。无需额外晶片选线，运用单一的SPI介面串联多片八进位数位输入IC，可轻松地以8的??倍数增加通道数量。只需单个SPI介面即可将感测器资料传输至PLC，无需隔离附加通道，还能大幅减少输入模组所需的隔离器数量。该设计大幅降低了成本，占用的空间也较小，单位PCB面积上的通道密度较高。该设计提供基于Nexys 3或ZedBoard平台的示范软体。

　　高整合度、低功耗、无需光耦合器的晶片上数位串列器。总而言之，该方案功能强大、灵活、节省空间，可提供工业应用极高的价值。