M6708U-T系列工控核心板隔离设计指南
本文导读
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？ 一、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。
二、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：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。
三、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
四、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 致远电子m6708u-t系列工控核心板
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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。
二、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：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。
三、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
四、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 致远电子m6708u-t系列工控核心板
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