張永強 司海峰 程良

摘要：本文以TM4C123系列單片機為最小系統(tǒng)，主要完成了隔離式直流輸入/輸出電路的設(shè)計。該設(shè)計滿足工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用。隔離輸入部分電壓范圍為直流（DC） 0-36V，輸出端DC電流范圍0-500mA，繼電器輸出DC電流為0-3A。

關(guān)鍵詞：單片機；I/O模塊；隔離式

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）11-0091-03

1 緒論

1.1 課題背景

隨著工業(yè)化進程的快速推進，越來越多的工廠正在趨向于實現(xiàn)生產(chǎn)集成化。 [1]。單片機技術(shù)的技術(shù)是一項非常穩(wěn)定的控制技術(shù)，它不僅可以完成信息的采集工作，同時還可以完成對數(shù)據(jù)的運算、處理以及數(shù)據(jù)輸出。每個終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)接嬎銠C上，軟件可以呈現(xiàn)出每個環(huán)節(jié)的運行狀況，并記錄運行過程。

1.2 工業(yè)4.0

德國作為工業(yè)強國，他們最先提出的工業(yè)4.0這個名詞，并且把工業(yè)4.0作為國家高科技戰(zhàn)略計劃[2]。工業(yè)4.0是以引導(dǎo)智能為主的第四次工業(yè)革命。該計劃是以信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)為基礎(chǔ)，充分把二者結(jié)合在一起，來達到工業(yè)智能，尤其是把現(xiàn)階段的制造業(yè)成功轉(zhuǎn)向智能制造。德國開展工業(yè)4.0 的重要前提之一就是工業(yè)自動化，而工業(yè)自動化主要指的就是機械制造和電氣工程自動化這兩個方面。

1.3 模塊式PLC

在工業(yè)4.0的大前提下，模塊PLC是關(guān)鍵。不同模塊會有不同的功能，同時不同模塊間也具有相互調(diào)節(jié)、獨立工作的能力[3-4]。對于功能比較強大的單片機，它所具有的模塊功能就比較多，進而增強了不同模塊之間的總和與聯(lián)系，從而可以更方便地進行配置，有更高的使用效益。

1.4 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線就是用數(shù)字信號傳送代替了傳統(tǒng)4- 20mA的模擬信號和普通開關(guān)量信號的傳送，它是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)[5]?，F(xiàn)場總線作為連接方式或方法出現(xiàn)在不同的結(jié)構(gòu)之間進行信息傳遞、交流，使之成為一個大的整體，進而從結(jié)構(gòu)、功能上都能夠統(tǒng)一起來。

1.5 熱插拔

熱插拔（hot-plugging 或Hot Swap） 即帶電插拔技術(shù)，指的是用戶如果想對一些突發(fā)情況（電腦的硬盤損壞、某個器件的電源有問題等）做出應(yīng)對，是要更換還是修復(fù)，都是可以在不用關(guān)閉系統(tǒng)和電源的前提下完成，從而能夠消除系統(tǒng)對一些完全可以避免的惡性事件提高一定的防范能力[6]。該技術(shù)最早用在服務(wù)器領(lǐng)域中，當時僅僅是為了提高服務(wù)器使用的性能。電腦上的USB接口，就是利用熱插拔技術(shù)實現(xiàn)的。正因為有了這個技術(shù)，硬盤的更換就會變得更簡單[7]。只要簡單地打開連接開關(guān)或者在硬件設(shè)備上進行接口的設(shè)計就可以直接取出硬盤，與此同時，系統(tǒng)仍然可以不間斷地正常運行。這樣就可以安全地保護設(shè)備而且快捷地進行操作。

2 TM4C123 微處理器簡介

2.1 TM4C123微處理器特點

TM4C123系列微處理器是基于Cortex-M4F內(nèi)核，具有高效的信號處理及浮點運算功能，同時集成了高級運動控制的PWM、QEI功能、USBOTG及CAN2.0等通信功能。Cortex-M處理器的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點能夠滿足汽車控制、醫(yī)療儀器、工業(yè)自動化、樓宇自動化、安防設(shè)備、嵌入式音頻和娛樂設(shè)備等應(yīng)用市場的需求[8]。

2.2 TM4C123微處理器結(jié)構(gòu)

基于Cortex-M4F內(nèi)核的TM4C123系列微處理器具有多種串行通信功能、高級運動控制功能等，同時還集成了JTAG和串行線調(diào)試接口。除此之外，還包括一個專用的單精度浮點處理單元FPU，大大增強了其信號處理能力。

2.3 TM4C123系列微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域

TM4C123系列微處理器定位于低成本的控制和信號處理產(chǎn)品，常用的應(yīng)用如下：

①測試和測量設(shè)備；②工業(yè)自動化和遠距離監(jiān)控；③運動控制；④醫(yī)療儀器；⑤安防設(shè)備；⑥電力和能源。

另外，對于一些需要有低功耗的應(yīng)用，TM4C123 微處理器具有一個可以使用后備電池的休眠模塊，在微處理器不活動時，該模塊可以有效地將其功耗降低到一個非常低的水平。

2.4 TM4C123最小系統(tǒng)

TM4C123最小系統(tǒng)包括核心CPU及相關(guān)可啟動CPU的外圍電路，其他功能的外圍電路又包括：①復(fù)位電路（用于復(fù)位）；②晶振電路；③去耦電容；④電源模塊；⑤單片機。

2.4.1 復(fù)位電路

TM4C123微控制器的RESET信號連接到RESET 開關(guān)和ICDI電路以實現(xiàn)調(diào)試器控制的復(fù)位[9]。如果需要用到調(diào)試器指示時，就必須使用ICDI電路，但需要知道這個功能是可選的，而且并不是一定都能滿足所有調(diào)試器。復(fù)位電路設(shè)計如圖1所示：

設(shè)計中的復(fù)位電路中采用了TPS3897芯片，具有高電平有效、漏極開路的超小型、單通道、可調(diào)節(jié)監(jiān)控電路的特點。使用TPS3897主要是具備如下功能：上電復(fù)位和掉電復(fù)位。

2.4.2 晶振電路

單片機要工作就要有信號脈沖，而單片機本身又不會產(chǎn)生信號脈沖，這時就需要借助外圍電路來產(chǎn)生信號脈沖，而晶振電路就可以產(chǎn)生信號脈沖，從而提供給單片機使用。晶振產(chǎn)生的脈沖就是單片機的工作速度。

2.4.3 去耦電容

去耦電容是指電路中裝配在CPU外圍電路的電源端上電容，此電容可以為CPU提供比較穩(wěn)定的電源，同時也可以降低元件耦合到電源端時產(chǎn)生的噪聲，也就間接地避免了其他元件所受此噪聲的干擾。

3 總線I/O 模塊的設(shè)計

I/O輸入輸出接口是指PLC與工業(yè)上其他現(xiàn)場控制器件和執(zhí)行元件連接的接口電路。輸入就是電信號傳給單片機，輸出就是單片機輸出電信號給其他用電器等，假設(shè)以單片機為主體，輸出信號就相當于控制信號，輸入信號相當于反饋信號。通用的輸入輸出有隔離和非隔離之分。輸入隔離使用光耦，可以使系統(tǒng)隔離，抗干擾，也可以防止大電流損壞PLC 。輸出非隔離的驅(qū)動能力比較弱，所以隔離輸出可用繼電器或達琳頓管，這樣可以增強它的帶負載能力。

3.1 總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計是基于TM4C123的總線I/O模塊設(shè)計，在熟悉單片機的最小系統(tǒng)之后，對其進行隔離輸入，經(jīng)由單片機處理后隔離輸出給負載，進行輸出。

該設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

3.2隔離CAN 接口

CAN 總線是一種分布式的通信技術(shù)，雖然應(yīng)用廣泛，但是CAN總線通常還會有一些問題，如電路輸入端有浪涌脈沖發(fā)生或者輸入端的電源不穩(wěn)定，這些因素就會導(dǎo)致電路中產(chǎn)生很高的頻率干擾，這些干擾將會對電路造成嚴重的損壞。而在實際工業(yè)現(xiàn)場進行調(diào)試、安裝，尤其是在切換一些功率比較大的感性負載（電機、變壓器、繼電器等）的過程中，不可避免地都會產(chǎn)生幅值并且瞬間就可以達到很高的電壓或電流干擾，為了避免這種破壞系統(tǒng)的現(xiàn)象發(fā)生，需要對總線和各個節(jié)點進行隔離操作。

3.3 通用的輸入/輸出

通用的輸入/輸出有隔離和非隔離之分。接口就是針對設(shè)備而言，并行通信就是指數(shù)據(jù)的每一位都同時傳送，就好比并列關(guān)系。串行通信就是數(shù)據(jù)一位一位的順序傳送，串在一起，一個接著一個。在實際應(yīng)用中，串行通信廣泛應(yīng)用在工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。

工業(yè)環(huán)境中，電機設(shè)備的工作和關(guān)閉、靜電的產(chǎn)生或在距離雷電比較近的環(huán)境中，都會把電流通過感應(yīng)耦合到自己所處的電路環(huán)境中，這必然會引起電路中電位的變化，這種變化非常大，通常高達幾百甚至幾千伏。因此必須讓與總線連接的所有器件都只能參考同一個地。所以在追求系統(tǒng)更高的穩(wěn)定性前提下，還可以將系統(tǒng)的信號線和電源都進行隔離處理，讓整個系統(tǒng)都比較安全、可靠。信號隔離可以采用光耦。電源隔離可以采用隔離式直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器來進行隔離。

3.4 隔離輸入

3.4.1 光耦器件及工作原理

光電耦合器它的基本結(jié)構(gòu)就是把發(fā)光管和受光管封裝在同一個管內(nèi)，發(fā)光管實際上就是紅外線發(fā)光二極管LED。光耦最關(guān)鍵的作用就是隔離。所以光耦合器的輸入端與輸出端就是隔離的，而且電信號在傳輸?shù)倪^程中具有單向?qū)ㄐ?，并且光耦合器還具有抗干擾的能力，同時在電路中它還具有良好的電路絕緣性。

3.4.2 電路分析

進行輸入的電路經(jīng)過設(shè)計之后，最終確定選用PS2801-4來進行隔離輸入。

電路圖如圖3所示：

3.4.3 總線收發(fā)器的應(yīng)用

總線收發(fā)器是為了方便異步通信，適合電路中信號的傳輸。74AC245是可以控制方向的一個八路緩沖器，并且處在外部受控設(shè)備與主控芯片之間。因為此芯片的雙向?qū)ㄊ强梢杂墒鼓芏藖砜刂频模允鼓艿倪x擇可以決定芯片是正向?qū)ㄟ€是反向?qū)ā?/p>

3.5 隔離輸出

設(shè)計中CPU有16路輸出，8路采用達林頓管進行隔離，8路采用繼電器進行隔離，本模塊采用了多種隔離技術(shù)。輸出非隔離的驅(qū)動能力比較弱，所以隔離輸出可用繼電器或達琳頓管，可以增強它的負載能力。

3.5.1 達林頓管隔離輸出

隔離輸出的設(shè)計選用了ULN2003達林頓管，對此電路的設(shè)計圖如圖4所示。

本次設(shè)計中，采用了ULN2003達林頓管。它是比較安全且穩(wěn)定的，并且有很高的耐壓性能，可以通過很大的電流。

3.5.2 繼電器隔離輸出

隔離輸出還可以采用繼電器，這樣的電路增強了設(shè)備的帶負載能力。設(shè)計的電路圖如圖5所示：達林頓管+繼電器的輸出方式，這種搭建電路的方式增大了后面器件的驅(qū)動負載能力。圖中所用的TD62083是東芝的一款達林頓型驅(qū)動芯片，它的輸出最大電壓可以達到50V，輸出電流的最大規(guī)格為500mA。完全可以驅(qū)動一些LED或繼電器。而且它既可以采用集電極輸出，也可以采用發(fā)射極輸出，但是要注意的是，如果要采用集電極輸出，在每個通道上都須單獨接一個VCC。本次設(shè)計中，它的主要作用就是驅(qū)動后面的繼電器。

4 I/O 系統(tǒng)電源

隔離電源的設(shè)計就是給各個環(huán)節(jié)的外圍電路進行供電，不同的電路會有不同的電壓要求，所以就要設(shè)計不同的隔離電源，用于不同的電路。需要注意的是光電隔離器件兩側(cè)所用電源VDD與VCC必須完全隔離，否則，光電隔離將失去應(yīng)有的作用。

4.1 主電源輸入

設(shè)計一個在直流24V的過濾器下的電壓轉(zhuǎn)換，將24V先進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為5V直流電。然后再降壓到3.3V給MCU供電，這里使用了TPS73033低壓降線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)降壓。

4.1.1 24V 降壓至5V 的DC-DC 電路的設(shè)計

總體的電路設(shè)計如圖6所示：

設(shè)計中選用TPS5420D是一個寬輸入范圍的降壓轉(zhuǎn)換器，輸入的電壓范圍為5.5V-36V。它也是一個高性能的電壓誤差放大器。因此在快速、準確及安全各個方面考慮選用TPS5420D元器件。

4.1.2 5V 降壓至3V 供電給MCU

在電路設(shè)計中，為MCU提供穩(wěn)定供電至關(guān)重要，因為這直接關(guān)系到電路能否穩(wěn)定運行；同時，單片機的敏感特性也決定了對其供電環(huán)節(jié)必須謹慎處理。因此，供電設(shè)計必須兼顧滿足需求與安全供電兩項要求。

TPS73033系列芯片作為一個低壓降線性穩(wěn)壓器，具有高的抑制比、低噪音、響應(yīng)時間快等優(yōu)點，可以很好地實現(xiàn)降壓至3V供給MCU，尤其它的低功耗（當設(shè)備處于待機模式下，電源電流降至1μA） ，在實際應(yīng)用中能夠降低能量的損耗。

5 結(jié)束語

基于TM4C123系列單片機構(gòu)建的最小系統(tǒng)，我們設(shè)計了一款隔離式直流輸入/輸出電路。經(jīng)過實驗驗證，該電路設(shè)計能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用需求，其中隔離輸入部分的電壓范圍為直流（DC） 0-36V，輸出端DC 電流范圍0-500mA，繼電器端輸出DC電流為0-3A。

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【通聯(lián)編輯：梁書】