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