Industrielle serielle Digitaleingänge Design digitaler Eingangsmodule mit paralleler Schnittstelle

Die industriellen Digital-Eingangsbausteine MAX22190/MAX22199 können als Oktaleingang mit acht parallelen Ausgängen verwendet werden, obwohl sie für den seriellen Datenbetrieb beschrieben sind. Durch diesen Ansatz bleiben viele der Merkmale und Funktionen dieser Bauelemente erhalten.

Die Digital-Eingangsbausteine MAX22190 und MAX22199 liefern standardmässig serialisierte Daten. Bei Systemen, die Echtzeitfähigkeit, geringe Latenzzeiten oder höhere Geschwindigkeiten erfordern, kann es jedoch vorteilhaft sein, für jeden industriellen Digitaleingangskanal pegelangepasste Echtzeit-Logiksignale bereitzustellen. Diese industriellen Digitaleingänge erfassen und serialisieren den Zustand von acht 24-V-Stromsenken-Eingängen unter SPI- oder pinbasierter (Latch) Zeitsteuerung, sodass die acht Zustände über SPI ausgelesen werden können. Um die Anzahl der zu isolierenden Logiksignale zu minimieren, wird eine serielle Schnittstelle verwendet, was insbesondere bei digitalen Eingangsmodulen mit hoher Kanalanzahl von Vorteil ist.

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Hintergrund: Serialisierung von Logiksignalen

Bei der Serialisierung von Logiksignalen werden diese Signale gleichzeitig abgetastet, wodurch sie zeitlich quantisiert werden. Dies bedeutet, dass Echtzeit-Informationen verloren gehen, was in bestimmten Systemen von Bedeutung sein kann. Beispiele hierfür sind Anwendungen, bei denen es auf zeitliche Abstände zwischen Schaltsignalen ankommt, wie beispielsweise Inkrementalgeber oder Zähler. Diese Anwendungen erfordern entweder eine hohe Abtastgeschwindigkeit mit schneller serieller Auslesung oder die Verwendung nicht serialisierter paralleler Daten, wie sie beispielsweise vom MAX22195 bereit gestellt werden. Die Verwendung des MAX22190/MAX22199 im Parallelbetrieb bietet den Vorteil der Diagnose und Konfigurierbarkeit. In diesem Artikel werden die Eigenschaften, Einschränkungen und Designüberlegungen näher betrachtet.

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Einzelheiten: Umfunktionierung der LED-Ausgänge

Das Verfahren basiert auf der Umfunktionierung der acht LED-Ausgänge, die nun als Logiksignale fungieren. LEDs dienen zur visuellen Anzeige des Zustands des jeweiligen digitalen Eingangs und sind somit hilfreich bei der Installation, Wartung und während des Betriebs. Die Eigenschaften und Spezifikationen industrieller Eingänge sind in der Norm IEC 61131-2 klar definiert, wobei der Ausgangszustand binärer Natur ist: entweder Ein oder Aus.

Die Digital-Eingangsbausteine MAX22190/MAX22199 verfügen über energieautarke LED-Treiber, die die LEDs über den Sensor/Schalter vor Ort mit Strom versorgen, ohne Strom/Leistung von einer Stromversorgung im digitalen Eingangsmodul zu beziehen. Diese Bauelemente begrenzen den Eingangsstrom auf einen Wert, der über den REFDI-Widerstand eingestellt werden kann. Dies hat den Zweck, die geringstmögliche Verlustleistung im Modul zu erreichen. Bei den gängigen digitalen Eingängen vom Typ 1/Typ 3 wird der Eingangsstrom typischerweise auf einen Wert von ~2,3 mA eingestellt, um den von der IEC-Norm geforderten Mindestwert von 2,0 mA zu überschreiten. Die ICs leiten den grössten Teil des Feldeingangsstroms (IN) von ca. 2,3 mA zu den LED-Ausgangspins, wobei nur ca. 160 µA vom Chip verbraucht werden.

Da die LED-Treiber Stromausgänge und keine Spannungsausgänge sind, muss der Strom für die Anbindung an andere logische Bauelemente wie digitale Isolatoren, Mikrocontroller usw. in Spannung umgewandelt werden. Für diesen Zweck sind Widerstände das einfachste Transimpedanzelement, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Die Verwendung der LED-Ausgangspins auf diese Weise ist in den Produktdatenblättern nicht dokumentiert. In diesem Artikel werden die Merkmale und möglichen Einschränkungen untersucht.

Eigenschaften der LED-Pins

Bei Verwendung von geerdeten Widerständen an den LED-Pins zur Erzeugung von Spannungsausgängen ist Folgendes zu beachten:

• Welche maximale Spannung darf an den LED-Pins anliegen?

• Gibt es eine Interaktion/Rückkopplung vom LED_-Pin zum IN_-Pin?

• Insbesondere: Führt die Spannung an den LED-Pins zu einer Änderung des IN-Eingangsstroms, da Mindeststromwerte durch die IEC-Normen vorgeschrieben sind?

• Zeigen die LED-Ausgangsströme unerwünschtes transientes Verhalten, wie beispielsweise Überschwingen oder langsame Anstiegs-/Abfallzeiten?

• Sind die LED-Ausgänge für den Einsatz als schnelle Logiksignale bei hohen Schaltgeschwindigkeiten der Eingänge geeignet?

• Sind die LED-Ausgänge gefiltert? (über SPI programmierbar)

Als absoluter Höchstwert sind in den Datenblättern MAX22190/MAX22199 für die LED-Pin-Spannungen +6 V angegeben. Dies bedeutet, dass die LED-Pins für den Einsatz als 5-V- (und 3,3-V-) Logikausgänge geeignet sind, wobei die Spannung 6 V nicht überschreiten darf.

Zudem muss der Einfluss der LED-Pin-Spannung auf andere kritische Eigenschaften bewertet werden. Besonders zu beachten ist dabei die Änderung des IN-Eingangsstroms bei hohen LED-Pin-Spannungen, da der Strom durch die Normen festgelegt ist. Der kritische Fall tritt ein, wenn die Feldspannung nahe der für digitale Eingänge vom Typ 3 definierten Einschaltschwellenspannung von 11 V liegt.

Abbildung 2 zeigt die gemessene Abhängigkeit des Feld-IN-Stroms von der LED-Pin-Spannung für drei Feld-Eingangsspannungen in der Nähe des 11-V-Pegels: 9 V, 10 V und 11 V. Die Pegel 10 V und 9 V wurden gewählt, da sie im Übergangsbereich für Eingänge vom Typ 3 liegen und ihre Eingangsströme keinen definierten Mindestwert haben, während der Mindestwert für den Fall des 11-V-Eingangspegels 2 mA beträgt.

Bei einer Feldspannung an der 11 V-Schwelle zeigt die blaue Kurve, dass der IN-Strom bei einer LED-Spannung von mehr als ~5,8 V abzunehmen beginnt. Der Stromabfall beträgt bei 6 V nur 0,6 %. Bei 9 V und 10 V, also im Übergangsbereich, in dem die Ströme nicht definiert sind, zeigen die Messungen, dass der Eingangsstrom bei Spannungen bis zu 5,5 V immer noch über 2 mA liegt.

Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass der MAX22190/MAX22199 5 V-LED-Logikausgänge (sowie Logikausgänge mit niedrigerer Spannung wie 3,3 V) erzeugt und dennoch mit digitalen Eingängen vom Typ 3 kompatibel ist. Bei digitalen Eingängen vom Typ 1 ist der Fall trivial, da der Schwellenwert mit 15 V wesentlich höher liegt, was bedeutet, dass die LED-Pins auch 5-V-Logikpegel liefern, ohne den Feldstrom zu beeinflussen.

Beispiel für den Parallelbetrieb

Abbildung 3 zeigt einen 10-kHz-Feldeingang (gelbe Kurve) mit der resultierenden LED-Ausgangsspannung in Blau. Am LED-Ausgang wurde ein 1,5-kΩ-Widerstand verwendet, der ein 3,3-V-Logiksignal liefert. Die Glitch-Filterung wurde deaktiviert (Standard-Bypass-Modus).

Hinsichtlich des transienten Verhaltens des LED-Ausgangsstroms unter Schaltbedingungen zeigt Abbildung 3 einen Fall mit einer Schaltfrequenz von 10 kHz. Für die Umwandlung des Stroms zu Spannung wurde ein 1,5-kΩ-Widerstand verwendet. Das Oszilloskopbild zeigt, dass die LED-Ausgänge keine transienten Über- oder Unterschwinger erzeugen, die logische Bauelemente beschädigen könnten. Die Anstiegs- und Abfallzeiten sind schnell und führen nicht zu Signalverzerrungen.

Verwendung der SPI-Schnittstelle

Die Digital-Eingangsbausteine MAX22190/MAX22199 verfügen über SPI-programmierbare Filter, um eine kanalweise Glitch-/Rauschfilterung zu ermöglichen. Es stehen acht Filterzeitkonstanten bis zu 20 ms sowie ein Filterbypass für Hochgeschwindigkeitsanwendungen zur Verfügung. Zudem wird die ausgewählte Rauschfilterung auf die LED-Ausgänge angewendet, um die visuelle Darstellung mit den elektrischen Signalen in Einklang zu bringen.

Diagnosefunktionen werden über die SPI-Schnittstelle bereitgestellt, darunter Alarme bei niedriger Versorgungsspannung, Überhitzungswarnungen, Kurzschlusserkennung an den REFDI- und REFWB-Pins sowie die Drahtbrucherkennung an den Feldeingängen.

Der Standardzustand der Registerbits beim Einschalten ist:

• Alle acht Eingänge sind aktiviert.

• Alle Eingangsfilter werden umgangen.

• Die Drahtbrucherkennung ist deaktiviert.

• Die Kurzschlusserkennung der Pins REFDI und REFWB (nur MAX22199) ist deaktiviert.

Daher muss die SPI-Schnittstelle nicht in Anwendungen verwendet werden, die keine Glitch-Filterung (z. B. für Signale mit hoher Geschwindigkeit) und Diagnosefunktionen erfordern. In Fällen, in denen eine pro Kanal wählbare Glitch-/Rauschfilterung erforderlich ist oder eine Diagnoseerkennung gewünscht wird, kann SPI verwendet werden.

Die Kurvenform der LED Ausgänge zeigt weder Überschwinger noch andere unerwünschte Unregelmässigkeiten, wie etwa Spannungsschwankungen im eingeschalteten Zustand. Dies zeigt, dass die LED-Ausgänge als Spannungsausgänge verwendet werden können. Ihre Eigenschaften und Einschränkungen werden nachstehend genauer untersucht.

Glitch-Filterung

Die Digital-Eingangsbausteine MAX22190 und MAX22199 bieten eine pro Kanal wählbare Glitch-Filterung. Das folgende Beispiel veranschaulicht die Wirkung der Glitch-Filter auf die LED-Ausgänge anhand eines 200-Hz-Schaltsignals mit einer Filterzeit von 800 µs. Definierte Glitch-Längen wurden durch Ändern des Tastverhältnisses emuliert. Es wurden sowohl positive als auch negative Glitches untersucht.

Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für 750 µs lange positive Pulse, die durch den 800-µs-Glitch-Filter herausgefiltert werden. Somit funktioniert die positive Glitch-Filterung sowohl für die LED-Ausgänge als auch für die SPI-Daten.

Es werden jedoch keine negativ Glitches an den LED-Ausgängen herausgefiltert, wie in Abbildung 5 zu sehen ist, wo sich ein fallender Puls von 750 µs zum LED-Ausgang hin auswirkt. Dies unterscheidet sich von der Verwendung der SPI-Auslesung, bei der sowohl positive als auch negative Glitches erfolgreich gefiltert werden.

Abbildung 6 zeigt das LED-Ausgangssignal bei aktiviertem 800-µs-Glitch-Filter und einem Eingangsschaltsignal mit einem Tastverhältnis von 50 %. Die ansteigenden Flanken werden um ca. 770 µs verzögert, während die abfallenden Flanken keine Verzögerung aufweisen. Dies zeigt, dass die Filter für die LED-Ausgänge nicht ordnungsgemäss funktionieren.

Schalten mit hoher Frequenz

Bei Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen, geringer Durchlaufverzögerung oder geringen Skew-Anforderungen sollte die Glitch-Filterung deaktiviert werden. Im Bypass-Modus (Glitch-Filter) und bei einer Eingangsfrequenz von 100 kHz erzeugt der LED-Ausgang die in Abbildung 7 dargestellten Kurvenformen. Während die abfallenden Flanken eine geringe Durchlaufverzögerung von ~60 ns aufweisen, zeigen die ansteigenden Flanken eine erhebliche Verzögerung sowie Jitter auf. Der Jitter der ansteigenden Flanke liegt im Bereich von ±0,5 µs bei einer durchschnittlichen Durchlaufverzögerung von ~1 µs. Die Verzögerung bei der steigenden Flanke und der Jitter sind auf die im Datenblatt dokumentierte Abtastrate von ~1 MHz zurückzuführen. Es erfolgt keine Abtastung an den fallenden Flanken, was die schnelle Antwortzeit erklärt.

Dies verdeutlicht, dass die LED-Ausgänge Anstiegs-/Abfallzeiten mit einer Abweichung von bis zu ~1,5 µs mit Jitter aufweisen. Der Kanal-zu-Kanal-Versatz ist an den abfallenden Flanken gering, an den ansteigenden Flanken jedoch deutlich höher. Dies könnte die Verwendung der LED-Ausgänge für bestimmte Anwendungen einschränken.

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Designüberlegungen

In diesem Abschnitt werden einige Überlegungen erläutert, die bei der Verwendung der LED-Ausgangspins als Spannungsausgänge zu beachten sind.

Es muss sichergestellt werden, dass die stromtreibenden LED-Ausgänge des MAX22190/MAX22199 spannungsbegrenzt sind, damit diese die sicheren Pegel der von ihnen angesteuerten Logikeingänge nicht überschreiten. Während der REFDI-Widerstand den Feld-Eingangsstrom IN auf einen typischen Strompegel einstellt, weist der tatsächliche IN-Strom eine Toleranz von ±10,6 % auf, wie in den Datenblättern angegeben. Somit liegt die Spannung über dem Widerstand im Bereich von ±10,6 %. Logikeingänge haben in der Regel streng festgelegte absolute Höchstwerte, wie beispielsweise VL + 0,3 V, wobei VL die Logik-Versorgungsspannung ist. Bei der Verknüpfung zweier Logiksignale wird häufig eine gemeinsame Versorgungsspannung VL verwendet, um die Anpassung sicherzustellen, da Standard-Logikausgänge Push-Pull- oder Open-Drain-Ausgänge haben, deren maximale Ausgangsspannung durch eine Logik-Versorgungsspannung VL festgelegt bzw. begrenzt ist. Die typischen LED-Pin-Ausgangsspannungen können verringert werden, um sicherzustellen, dass die absoluten Höchstwerte für den Eingang nicht überschritten werden. Alternativ kann davon ausgegangen werden, dass der Ausgangsstrom der LED-Pins von ca. 2,3 mA die Logikeingänge nicht beschädigen, da diese üblicherweise für wesentlich höhere Latch-up-Ströme im Bereich von 50 mA bis 100 mA ausgelegt sind. Dies muss jedoch für das jeweilige Bauelement überprüft werden. Die dritte, weniger attraktive Option besteht darin, die Spannung durch Clamping zu begrenzen.

Standard-Logikausgänge sind Push-Pull-Ausgänge und somit niederohmig, was eine hohe Flexibilität bei der Ansteuerung der Logikeingänge ermöglicht. Die LED-Ausgänge sind dagegen Open-Drain-Ausgänge, bei denen der Pull-Down-Widerstand mit der parasitären Kapazität die Schaltgeschwindigkeiten bestimmt.

Ohne zusätzliche Kondensatoren sind Schaltfrequenzen von 100 kHz und mehr möglich.

Schlussfolgerung

Die industriellen Digital-Eingangsbausteine MAX22190/MAX22199 können als Oktaleingang mit acht parallelen Ausgängen verwendet werden, obwohl sie für den seriellen Datenbetrieb beschrieben sind. Zu diesem Zweck werden die LED-Treiber, die ursprünglich für die visuelle Statusanzeige vorgesehen waren, als spannungs- oder strombasierte Logikausgänge umfunktioniert. Bei dieser Art des Parallelbetriebs ist die Verwendung der SPI-Schnittstelle optional, sie bietet alle Diagnosefunktionen sowie die Konfigurierbarkeit des Bauelements mit einigen Einschränkungen.

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Dieser Artikel wurde in Zusammenarbeit mit Chin Chia Leong, Senior Staff Engineer HW bei Rockwell Automation, verfasst.

Über die Autoren

Wei Shi ist Applications Engineer Manager in der Abteilung Industrial Automation BU bei Analog Devices mit Sitz in San Jose, Kalifornien. Sie kam 2012 als Applications Engineer zu Maxim Integrated (jetzt Teil von Analog Devices). Sie schloss ihr Studium an der New York University im Jahr 2012 mit einem Master-Abschluss in Elektrotechnik ab.

Reinhardt Wagner ist Distinguished Engineer bei Analog Devices in München. Während seiner 21-jährigen Tätigkeit war er hauptsächlich mit der Produktdefinition neuer Industriechips in den Bereichen Kommunikations- und Ein-/Ausgabegeräte befasst, darunter IO-Link, schnelle digitale E/As, Beyond-the-Rails™-Analogschalter und digitale Isolation.

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