开关量GPIO设计指南

时间:2018-07-11 15:03来源:ZLG致远电子

摘要:GPIO作为常用个开关量控制信号,广泛应用于工业领域的数据采集和驱动控制。当GPIO配置为DI和DO时,干节点与湿节点设计规范是否一致呢?GPIO配置为DI采集时,隔离方案是选择继电器隔离还是光耦隔离呢?

GPIO作为常用个开关量控制信号,广泛应用于工业领域的数据采集和驱动控制。当GPIO配置为DI和DO时,干节点与湿节点设计规范是否一致呢?GPIO配置为DI采集时,隔离方案是选择继电器隔离还是光耦隔离呢?

1、什么叫DI/DO
DI数字量输入,把生产过程中的数字信号转换成计算机易于识别的“0”和“1”信号状态。
DO:数字量输出,把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程中控制的“0”和“1”信号状态。

2、DI/DO的干湿节点介绍
干接点的定义:无源开关,具有闭合和断开的2种状态,2个接点之间没有极性,可以互换;
常见的干节点:有限位开关、行程开关、旋转开关、温度开关、各种按键以及各种传感器的输出等。

湿接点的定义是:有源开关;具有有电和无电的2种状态;2个接点之间有极性,不能反接。
常见的湿节点有:NPN三极管的集电极输出和VCC、达林顿管的集电极输出和VCC、红外反射传感器和对射传感器的输出等。

3、DI/DO驱动阻抗设计
此处以NXP i.MX 6UL为例,常规对于GPIO作为输出接口时,OVDD电压为1.8V或3.3V,若GPIO设计为DO时需要注意哪些事项呢?

此处以DO为示例,Rpu/Rpd和Ztl构成一个分压器,定义入射波相对于OVDD的特定电压,输出驱动阻抗是从这个分压器计算出来的。


 
图1  分压器等效电路
 
 
 
图2  基于1.8V的驱动阻抗表
 
 
图3  基于3.3V的驱动阻抗表
 
4、设计隔离DI/DO的建议方案
在工业场合对DI/DO的设计都要考虑到隔离,在隔离中比较常用的是光耦隔离。

图4为光耦隔离数字量干节点电路,其中的DIx、GIx连接到触点开关的两端,当开关闭合时,光耦输入回路二极管导通,输出回路光电接收管导通,输入端GPIx为低电平;当开关断开时,光耦输入回路二极管截止,输出回路光电接收管截止,输入GPIx被电阻上拉为高电平。


 
图4  干节点传输电缆示意图
 
图5是光耦隔离数字量湿节点设计参考电路,输入电压范围DC4V-18V,并且内部自带滤波功能。用户只需将湿节点的正端接于DIx接口,将负端接于GIx接口,当输入的电压大于4V小于18V时,光耦导通;当输入的电压小于1V时,光耦截止。

 
图5  光耦隔离DI输入示意图一
 
DI作为隔离数字量输入接口,接开关量输入时,用户必须在外部电路加上拉电源,简化的连接示意图如图6所示。其中VCC_GPI为外部隔离电源,输入范围为4V~18V,GND_GPI为外部隔离地,电阻R1在开关断开时保证GIx为低电平,阻值为100KΩ即可。

 
图6  光耦隔离DI输入示意图二
 
DO作为隔离数字量输出时,由于芯片内部提供DO驱动电流为mA级且驱动电压为1.8V或3.3V,无法满足所有的应用环境。DO应用于工业领域的开关量设计,需更具不同的应用环境进行继电器隔离、电平转换、电阻上拉设计,可有效防止电压信号的反向灌入烧毁芯片。

 
图7  隔离电路DO输入示意图
 
 
图8  M6708U-T系列工控核心板
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