開關(guān)量GPIO設計指南

GPIO作為常用個開關(guān)量控制信號，廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動控制。當GPIO配置為DI和DO時，干節(jié)點與濕節(jié)點設計規(guī)范是否一致呢?GPIO配置為DI采集時，隔離方案是選擇繼電器隔離還是光耦隔離呢?

1、什么叫DI/DO

DI: 數(shù)字量輸入，把生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計算機易于識別的“0”和“1”信號狀態(tài)。

DO：數(shù)字量輸出，把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程中控制的“0”和“1”信號狀態(tài)。

2、DI/DO的干濕節(jié)點介紹

干接點的定義：無源開關(guān)，具有閉合和斷開的2種狀態(tài)，2個接點之間沒有極性，可以互換;

常見的干節(jié)點：有限位開關(guān)、行程開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、溫度開關(guān)、各種按鍵以及各種傳感器的輸出等。

濕接點的定義是：有源開關(guān);具有有電和無電的2種狀態(tài);2個接點之間有極性，不能反接。

常見的濕節(jié)點有：NPN三極管的集電極輸出和VCC、達林頓管的集電極輸出和VCC、紅外反射傳感器和對射傳感器的輸出等。

3、DI/DO驅(qū)動阻抗設計

此處以NXP i.MX 6UL為例，常規(guī)對于GPIO作為輸出接口時，OVDD電壓為1.8V或3.3V，若GPIO設計為DO時需要注意哪些事項呢?

此處以DO為示例，Rpu/Rpd和Ztl構(gòu)成一個分壓器，定義入射波相對于OVDD的特定電壓，輸出驅(qū)動阻抗是從這個分壓器計算出來的。

圖1 分壓器等效電路

圖2 基于1.8V的驅(qū)動阻抗表

圖3 基于3.3V的驅(qū)動阻抗表

4、設計隔離DI/DO的建議方案

在工業(yè)場合對DI/DO的設計都要考慮到隔離，在隔離中比較常用的是光耦隔離。

圖4為光耦隔離數(shù)字量干節(jié)點電路，其中的DIx、GIx連接到觸點開關(guān)的兩端，當開關(guān)閉合時，光耦輸入回路二極管導通，輸出回路光電接收管導通，輸入端GPIx為低電平;當開關(guān)斷開時，光耦輸入回路二極管截止，輸出回路光電接收管截止，輸入GPIx被電阻上拉為高電平。

圖4 干節(jié)點傳輸電纜示意圖

圖5是光耦隔離數(shù)字量濕節(jié)點設計參考電路，輸入電壓范圍DC4V-18V，并且內(nèi)部自帶濾波功能。用戶只需將濕節(jié)點的正端接于DIx接口，將負端接于GIx接口，當輸入的電壓大于4V小于18V時，光耦導通;當輸入的電壓小于1V時，光耦截止。

圖5 光耦隔離DI輸入示意圖一

DI作為隔離數(shù)字量輸入接口，接開關(guān)量輸入時，用戶必須在外部電路加上拉電源，簡化的連接示意圖如圖6所示。其中VCC_GPI為外部隔離電源，輸入范圍為4V~18V，GND_GPI為外部隔離地，電阻R1在開關(guān)斷開時保證GIx為低電平，阻值為100KΩ即可。

圖6 光耦隔離DI輸入示意圖二

DO作為隔離數(shù)字量輸出時，由于芯片內(nèi)部提供DO驅(qū)動電流為mA級且驅(qū)動電壓為1.8V或3.3V，無法滿足所有的應用環(huán)境。DO應用于工業(yè)領(lǐng)域的開關(guān)量設計，需更具不同的應用環(huán)境進行繼電器隔離、電平轉(zhuǎn)換、電阻上拉設計，可有效防止電壓信號的反向灌入燒毀芯片。

圖7 隔離電路DO輸入示意圖

圖8 M6708U-T系列工控核心板