Что такое цифровой вход

Цифровые входы/выходы

Нумерация пинов

Пины пронумерованы на плате как “цифровые” D* пины и аналоговые A* пины. К цифровым пинам мы будем обращаться просто по их номеру, т.е. D3 это просто 3. С аналоговыми пинами чуть сложнее:

Режимы работы пинов

Если со входом/выходом всё понятно, то с подтяжкой давайте разберёмся. В режиме входа пин микроконтроллера не подключен никуда и ловит из воздуха всякие наводки, получая практически случайное значение. Для задания пину “состояния по умолчанию” используют подтяжку резистором к земле или питанию. Вот режим INPUT_PULLUP включает встроенную в микроконтроллер подтяжку пина к питанию. Подробнее об этом, со схемами и примерами я рассказывал в начале вот этого видео урока.

Вывод цифрового сигнала

Цифровой пин в режиме выхода ( OUTPUT ) может генерировать цифровой сигнал, т.е. выдавать напряжение. Так как понятие “цифровой” обычно связано с двумя состояниями, 0 и 1, цифровой пин может выдать 0 или 1, точнее: сигнал низкого или высокого уровня. Сигнал низкого уровня это 0 Вольт, грубо говоря в этом состоянии пин подключается к GND микроконтроллера. Сигнал высокого уровня подключает пин к VCC микроконтроллера, то есть к питанию. Если вы вспомните урок по питанию платы, то поймёте, что сигнал высокого уровня на цифровом пине будет варьироваться в зависимости от того, как питается плата Arduino. При питании от источника 5V на пине будет 5V, при питании от USB с потерей на защитном диоде мы получим около 4.7 Вольт на цифровом пине в режиме выхода с высоким сигналом. Самый главный момент касательно цифровых пинов: микроконтроллер – это логическое устройство, которое создано для управления другими устройствами при помощи логических (цифровых) сигналов. Под словом логическое я подразумеваю не силовое, то есть питать что-то от микроконтроллера нельзя, за редким исключением. На картинке с распиновкой выше вы можете найти надпись “Absolute MAX per pin 40mA, recommended 20mA“. Это означает, что максимум можно снять с пина 40 миллиампер, а рекомендуется не больше 20 миллиампер. Поверьте, для микроконтроллера это очень много. В других микроконтроллерах ограничение по току на пин может составлять 5-10 мА. Также есть общее ограничение на ток с цифровых пинов – 200 мА: “Absolute MAX 200mA for entire package“. Эту информацию можно найти в любом официальном источнике информации об Arduino и микроконтроллере в целом, в том числе в даташите на микроконтроллер. Что произойдёт, если снять с пина больше, чем он может отдать? Всё очень просто – он сломается. Что будет, если снять с нескольких пинов больше, чем может отдать микроконтроллер в целом? Правильно – сгорит микроконтроллер. Поэтому ничего мощнее светодиода и маленькой пищалки к микроконтроллеру подключать нельзя. Никаких моторчиков, лампочек, нагревателей, мощных радио-модулей и прочего питать от цифровых пинов нельзя. Цифровые пины служат для подачи команд другим устройствам, например реле/транзисторам для коммутации нагрузок. Но об этом мы поговорим отдельно. Сейчас вернёмся к вопросу подачи цифрового сигнала: для этого у нас есть функция digitalWrite(pin, value) :

Пример, в котором пины инициализируются как выходы, и на них подаётся сигнал:

Перейдём к чтению цифрового сигнала в режиме INPUT

Чтение цифрового сигнала

Цифровой пин может “измерять” напряжение, но сообщить он может только о его отсутствии (сигнал низкого уровня, LOW ) или наличии (сигнал высокого уровня, HIGH ), причём отсутствием напряжения считается промежуток от 0 до

2.1V. Соответственно от

2.1V до VCC (до 5V) микроконтроллер считает за наличие сигнала высокого уровня. Таким образом микроконтроллер спокойно может работать с логическими устройствами, которые шлют ему высокий сигнал с напряжением 3.3V, он такой сигнал примет как HIGH.

Данный код будет выводить в порт сигнал на пине D5. Если подключить его проводом к VCC – получим 1, если к GND – получим 0.

Источник

Промышленные цифровые входы и выходы. Часть 1. Цифровые входы

В цикле статей Maxim Integrated о проектировании цифровых промышленных входов и выходов для приема сигналов дискретных датчиков/переключателей рассматривается возможность применения в этих разработках специализированных ИС Maxim.

Модули цифровых входов-выходов для автоматизированных промышленных систем ранее, как правило, строились на дискретной компонентной базе. Четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0) требует внедрения облачных технологий и увеличения пропускной способности для повышения эффективности производства. Индустрия 4.0 подразумевает развитие диагностических функций, увеличение времени безотказной работы, уменьшение габаритов, а также снижение потребления. Решение перечисленных задач вызывает вполне очевидные сложности. Первым шагом на пути к достижению поставленных целей становится ознакомление разработчиков с имеющимися на рынке интегральными решениями, которые смогут обеспечить необходимую эффективность и функционал модулей входов/выходов. В цикле статей мы рассмотрим линейку интегральных микросхем, предназначенных для создания промышленных цифровых входов/выходов, а также проанализируем преимущества, которые они дают в сравнении с традиционными дискретными решениями с учетом требований, предъявляемых Индустрией 4.0.

Цифровые входы в промышленных модулях входов/выходов необходимы для приема сигналов от дискретных датчиков или переключателей, используемых в промышленном производстве. С помощью этих датчиков осуществляется контроль различных параметров, например, определение уровня жидкости, обнаружение приближающихся объектов или считывание состояния кнопок. Входной сигнал 0 В определяется как логический «0» (или состояние «ВЫКЛ»), а напряжение 24 В, как правило, считается логической «1» (или состоянием «ВКЛ»). Задача цифрового промышленного входа заключается в том, чтобы принять сигнал от датчика или переключателя, выполнить преобразование уровня для получения низковольтного сигнала и переслать информацию о состоянии входа в программируемый логический контроллер (ПЛК) для дальнейшей обработки. Получив данные о состоянии входов, ПЛК может формировать выходные сигналы. Зачастую задача по считыванию состояния входов существенно усложняется из-за необходимости гальванической развязки между высоковольтными входными сигналами и низковольтными входами ПЛК, а также из-за размещения все большего числа каналов в условиях постоянного уменьшения габаритных размеров модулей.

Характеристики цифровых входов

Цифровые входы могут иметь различные характеристики, однако чаще всего они соответствуют требованиям стандартов. Наиболее значимым стандартом является IEC 61131-2 (отечественная адаптация – ГОСТ IEC 61131-2-2012 Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания), который определяет три типа входов: 1, 2 и 3 (рисунок 1, таблица 1).

Рис. 1. Характеристики цифрового входа в соответствии с IEC 61131-2

Цифровые входы типа 1 (type 1 digital input) используются для работы с сигналами, получаемыми от механических контактных переключателей, таких как реле, кнопки, и тому подобное.

Входы типа 1 не всегда совместимы с полупроводниковыми переключателями.

Входы типа 2 (type 2 digital input) используются для работы с сигналами, пол учаемыми от мощных полупроводниковых переключателей, таких как традиционные двухпроводные датчики положения, разработанные в соответствии с IEC 60497-2.

Входные сигналы типа 3 (type 3 digital input) используются для работы с сигналами, получаемыми от маломощных полупроводниковых переключателей, таких как современные двухпроводные датчики положения, но также могут использоваться вместо входов типа 1. Входы типа 3 имеют меньшую мощность по сравнению со входами типа 2, поэтому их число в модуле может быть значительно выше.

Таблица 1. Три типа цифровых входов

Одиночный цифровой вход на дискретных компонентах

Ранее для создания одиночных цифровых входов использовались дискретные компоненты. На рисунке 2 представлена простая бюджетная схема цифрового входа, построенная на базе резистивного делителя и оптопары, выполняющей гальваническую развязку. Входной сигнал с напряжением 24 В масштабируется с помощью делителя до уровня, необходимого для управления оптопарой, которая в свою очередь формирует низковольтные логические сигналы, поступающие на входы ПЛК.

Рис. 2. Одиночный дискретный цифровой вход с ограничением входного тока

Основным недостатком такого решения является высокая потребляемая мощность (до 10 мА, в зависимости от номинала резистора), которая зависит от величины входного напряжения. Разумеется, существует возможность реализации дополнительной схемы ограничения тока, но для этого потребуется не менее десяти дискретных компонентов, что приведет к существенному увеличению площади, занимаемой на печатной плате, и к росту стоимости готового изделия. Кроме того, ток потребления все равно окажется существенно выше идеального уровня 2 мА, указанного в стандарте IEC61131-2 для цифровых входов типа 3. Очевидно, что высокое потребление (с соответствующим тепловыделением) и большая площадь дискретной схемы не позволяют использовать ее при построении компактных модулей входов/выходов с большим числом каналов.

Одноканальная интегральная микросхема цифровых входов

Рис. 3. Типовая схема включения MAX22191

Уменьшение тепловыделения цифрового входа 24 В при использовании MAX22191 по сравнению с реализацией на базе дискретных компонентов демонстрируется на рисунке 4.

Рис. 4. Уменьшение тепловыделения при использовании MAX22191

Работу одноканальной микросхемы цифрового входа можно протестировать с помощью отладочной платы MAX22191EVKIT:

Многоканальные микросхемы цифровых входов

Одноканальная микросхема является усовершенствованной версией дискретной реализации, однако для создания 8-/16-/32- или даже 64-канальных модулей входов/выходов необходима еще большая степень интеграции. Однако, реализация многоканальных ИС требует решения дополнительных задач. При значительном увеличении числа каналов разработчик должен определить, каким образом передавать информацию в ПЛК – по последовательному или параллельному интерфейсу. При использовании многоканальных ИС с последовательным интерфейсом удается минимизировать число изолированных линий, однако ИС должна обеспечивать высокую скорость передачи данных. Кроме того, микросхема должна обеспечивать простое масштабирование и иметь функции распознавания ошибок для проверки целостности потока данных при обмене с контроллером. С другой стороны, хотя прием параллельного потока данных и может показаться более простым, но для его реализации требуется большое число изолированных каналов.

Компания Maxim Integrated разработала широкий спектр многоканальных интегральных схем и специализированных изоляторов, способных удовлетворить самые разнообразные требования разработчиков.

Восьмиканальная микросхема с последовательным интерфейсом

Восьмиканальная микросхема MAX22190 контролирует восемь промышленных входов 24 В и передает информацию об их состоянии по интерфейсу SPI 3/5 В. Дополнительный резистор позволяет настраивать входной ток для соответствия требованиям ко входам типов 1, 2 и 3. Встроенная защита от статики (ESD) позволяет выдерживать скачки тока до 1 А и перенапряжения до 1 кВ (с внешними резисторами, но без необходимости использования внешних TVS). Для индикации состояний входов можно использовать встроенные малопотребляющие драйверы светодиодов. Для реализации большего числа каналов допускается последовательное включение нескольких микросхем, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. 16-канальный модуль цифровых входов, построенный на базе MAX22190 (с возможностью реализации входов типа 1, 2, 3) и цифрового с SPI-изолятора MAX14483

MAX22190 имеет широкий набор диагностических функций, В частности, речь идет о контроле целостности проводов при подключении датчиков. Для этого используются дополнительные встроенные компараторы. Если тестовый ток оказывается ниже заданного порога в течение более чем 20 мс, то выставляется соответствующий флаг ошибки и формируется аварийный сигнал на выходе FAULT. Выход FAULT также используется для сигнала о наступлении таких аварийных ситуаций, как перегрев, просадка напряжения питания 24 В, отсутствие питания 24 В и ошибка связи (несовпадение CRC). Для надежной работы в промышленных условиях каждый вход имеет собственный программируемый фильтр. Задержка каждого из фильтров задается индивидуально и выбирается из восьми доступных значений в диапазоне 0,5…20 мс. Возможно также отключение фильтра. MAX22190 работает с 4-проводным SPI-интерфейсом и, кроме того, использует вход LATCH для синхронизации входных данных между несколькими параллельно включенными устройствами. Питание микросхемы осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА, например, цифровых изоляторов или других цепей. В качестве альтернативы для питания микросхемы может использоваться и внешний источник 3…5,5 В. В таком случае встроенный стабилизатор остается не задействованным, что позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую микросхемой. Дополнительную гибкость MAX22190 обеспечивает SPI-интерфейс, который поддерживает работу с логикой 3 и 5 В. На рисунке 6 показано, как следует объединить два входа MAX22190, чтобы обеспечить нагрузочную способность, требуемую от входов типа 2. Ток ограничения определяется внешним резистором, подключенным ко входу REFDI.

Рис. 6. Выходы MAX22190 подключены параллельно, чтобы обеспечить нагрузочную способность, требуемую от входов типа 2

Восьмиканальная микросхема с последовательным интерфейсом и встроенной гальванической развязкой

Альтернативой для MAX22190 является микросхема MAX22192, которая обеспечивает дополнительное преимущество в виде встроенной гальванической развязки SPI-интерфейса. MAX22192 имеет восемь промышленных входов 24 В, состояние которых передается по изолированному SPI-интерфейсу с логическим напряжением 1,71…5,5 В. Токовый резистор позволяет настроить MAX22192 для обеспечения токовых характеристик, требуемых от входов типа 1, 2 или 3. Целостность соединительных проводов проверяется с помощью встроенных компараторов. Если контрольный ток оказывается ниже заданного порога в течение более чем 20 мс, то выставляется соответствующий флаг ошибки и формируется аварийный сигнал на выходе LFAULT. Этот же вход используется для сигнализации о других происшествиях, исходя из требований конкретного приложения. Микроконтроллер задает пороговые значения тока, определяет задержки входных фильтров, а также разрешает работу входов с помощью регистров управления. Кроме того, пользователь может управлять матрицей светодиодов и функционалом выхода LFAULT. Как только настройка завершится, микросхема MAX22192 будет готова к опросу регистра состояния входов. Изолированный выход LFAULT также используется для сигнализации о возникновении других аварийных ситуаций: перегрева, провала напряжения питания 24 В, отсутствия питания 24 В и ошибки связи (несовпадения CRC).

Для надежной работы в промышленных условиях каждый вход имеет собственный программируемый фильтр. Задержка каждого фильтра задается индивидуально и выбирается из восьми доступных значений из диапазона 0,5…20 мс. Возможно также отключение фильтра. Кроме 4-проводного SPI-интерфейса для синхронизации входных данных между несколькими включенными параллельно устройствами используется изолированный вход LATCH. Питание микросхемы на первичной стороне (стороне датчиков) осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА. В качестве альтернативы для питания микросхемы на первичной стороне может использоваться и внешний источник 3…5,5 В. Для питания микросхемы на вторичной стороне (стороне логики) необходим источник 1,71…5,5 В, что позволяет MAX22192 взаимодействовать с микросхемами с логическими уровнями 1,8, 3,3 или 5 В. MAX22192 имеет класс изоляции 600VRMS (в течение 60 секунд) и доступен в 70-контактном корпусе GQFN с длиной пути утечки 2,3 мм (наикратчайшим расстоянием между двумя токопроводящими частями). Материал корпуса имеет минимальный сравнительный индекс трекингостойкости СИТ (CTI) 400 В, что соответствует рейтингу II группы.

Как показано на рисунке 7, для приложений, требующих более восьми входов, микросхема MAX22192 может включаться последовательно с MAX22190. При этом для передачи данных к микроконтроллеру используется изолированный SPI-интерфейс микросхемы MAX22192.

Рис. 7. Построение 16-канального изолированного модуля входов с помощью последовательного включения MAX22190 и MAX22192

Восьмиканальная микросхема с параллельным интерфейсом

MAX22195 преобразует восемь 24-вольтовых промышленных цифровых входов в восемь КМОП-совместимых параллельных выходов (рисунок 8). Задержка распространения между входами и выходами не превышает 300 нс для всех каналов. Присутствие ограничителей тока на всех входах 24 В существенно снижает рассеиваемую мощность по сравнению с традиционными резистивными делителями, обеспечивая при этом выполнение требований стандарта IEC 61131-2. Токозадающий резистор позволяет настраивать входы микросхемы в соответствии с требованиями для входов типа 1, 2 или 3. Кроме того, драйверы светодиодов, реализованные на высоковольтной стороне датчиков, отвечают требованиям, предъявляемым IEC 61131-2 к световым индикаторам без дополнительного рассеивания мощности. Питание микросхемы осуществляется от встроенного LDO-стабилизатора со входным напряжением 7…65 В. Стабилизатор формирует выходное напряжение 3,3 В и может использоваться для питания внешней нагрузки до 25 мА, например, цифровых изоляторов или других цепей. В качестве альтернативы для питания микросхемы может использоваться и внешний источник 3…5,5 В.

Рис. 8. MAX22195 с параллельным выходным интерфейсом

Итоговый обзор микросхем цифровых входов

Обобщенные характеристики микросхем цифровых входов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики микросхем цифровых входов

Заключение

Существующие стандарты предъявляют жесткие требования к цифровым входам. При этом современные приложения нуждаются в многоканальных модулях входов/выходов. В результате построение цифровых входов с помощью дискретных компонентов зачастую оказывается невозможным. Для решения этой проблемы компания Maxim Integrated предлагает использовать специализированные интегральные микросхемы.

В линейке поставок компании присутствуют как одноканальные ИС цифровых входов, например, MAX22191, так и многоканальные решения, в частности, MAX22190, MAX22192, MAX22195. Восьмиканальная микросхема MAX22190 использует параллельный интерфейс и требует наличия внешней развязки, а MAX22192 имеет встроенную развязку. MAX22195 позволяет минимизировать число внешних изоляторов за счет использования последовательного интерфейса.

Список ранее опубликованных глав

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

Источник