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将低电压微控制器及数字信号处理器(DSP)接合高电压传感器开关和其他数字高电压电路是许多商业和工业应用面临的共同难题。在大多数情况下，需要透过这些接口获得二进制(1/0或高/低)状态信息形式的回授。
新一代接口装置“数字输入序列器(DIS)”可在接合低功耗微控制器时感测数字输入电压，感测范围最低可达6Vdc，最高可达300Vdc。
本文将介绍数字输入序列器的运作原理及其低、中、高电压输入信号的配置。
运作原理
为了更了解DIS的运作原理，下文以完整的接口设计解说该装置(图1)。一般而言，高电压总线为一组传感器开关S0-S7供电，其开/关状态由装置的8个电场输入IP0-IP7所感测。内部信号处理将输入信号转换为低电压位准，并且将这些电压位准施加于串行输入、序列输出偏移缓存器的输入。微控制器的负载脉冲传输至/LD输入时，内部输入数据即锁定于偏移缓存器中。微控制器将频率信号施加于 CLK，数据以序列方式从DIS中偏移，并透过数字隔离器进入控制器缓存器，即完成偏移缓存器内容的读取。
高电压接口需要使用数字隔离器，使剧烈变化的远程传感器开关接地电位与控制器电子装置的本地接地相隔离。
适用于高电压接口的传感器开关包括近接开关 (proximity switch)、中继接点(relay contact)、限位开关(limit switch)、按钮(push-button)等。对于高输入电压而言，必须进行输入电阻RIN0到RIN7的实作，才能将输入开关阈值升高，而低输入电压的系统通常不需要输入电阻。
图1显示高达34V的电源电压可直接施加于供电端子及8个输入端子，完全不需要保护电阻。在这种电源电压的情况下，内部线性稳压器可以提供稳定的 5V输出，为装置内部电路和外部隔离器或微控制器供电。另一个辅助功能是单芯片温度传感器，在接点温度达到150℃时会向控制器发出警报。
透过可调整的输入电流限制，即可使得装置输入端承受高达34V的高电压。对于纯粹电阻输入的高电压接口而言，由于输入电流增加造成输入电压升高，导致耗电量大幅升高。另一方面，由于将输入电流限制在可透过外部高精度电阻调整的恒定程度，因此 DIS的输入大幅降低耗电量。
此外，各信道都会检查输入信号的强度和耐受力。电流感测及电压感测的功能具有一些内部信号阈值，可用以确保通道不会由任何漏损电流或剩余电压触发。
在开启状态(开关关闭)的情况下，电流比较器会感测输入电流是否高于预先定义的漏损阈值，而电压比较器则感测输入电压是否高于内部固定的参考电压。如果两个比较器输出均为逻辑高位准(logic high)，则可程序去除抖动滤波器将检查输入状态的新变化是否为噪声瞬时或真实输入信号所引起。
在开启状态时，滤波器输出为高位准，而且电流限制器输出连接至信号返回输出(REx)。各个RE输出均有发光二极管(LED)连接接地，可以清楚指示传感器开关的状态，因此如果开关关闭，LED将亮起。在关闭状态(开关开启)时，滤波器输出为低位准，而且电流限制器的输出切换至接地，则LED熄灭。
输入配置
针对某种应用配置数字输入序列器时，只需要注意两个重要的参数，即输入电流限制IIN-LIM和导通阈值VIN-ON。透过外部电阻RLIM以及RIN0到RIN7可调整这两个参数。虽然RLIM定义所有8个输入通道的电流限制，但是使用不同的RIN值即可分别设定各通道的导通阈值。
电流限制器在内部执行比较器功能，其阈值电流 ITH与最大输入电流IIN-LIM完全相同。利用反射比例为 n = 72的电流镜，可从参考电流IREF推导出ITH。由于IIN-LIM与ITH相同，因此最大输入电流可以表示为：
等式 1
IREF 则由内部 1.25V 频沟参考与外部电阻 RLIM 的比例计算而得：
等式 2
将等式 2 插入于等式 1 中，得出 IIN-LIM 为 RLIM 的函数：
等式 3
解出等式 3 的 RLIM，得出设定所需电流限制的电阻值：
等式 4
电场输入导通阈值电压VIN-ON与电流限制、输入电阻及装置输入的导通阈值电压VIP-ON有关。VIP-ON等于内部电压感测比较器的固定5.2 V参考电压。因此，VIP-ON可以表示为：
等式 5
插入VIP-ON的数值，然后代入等式 3 的IIN-LIM 计算结果，得出：
等式 6
然后解出RIN，得出设定指定电流限制条件下所需导通阈值的输入电阻值：
等式 7
因此针对各种应用对DIS进行完全配置只需要两个等式，即等式3用于设定电流限制，以及等式7用于达到所需导通阈值电压。根据这两个等式，表1列出不同输入阈值电压和电流限制的各种电阻组合。
表1中的星号表示相当高的输入电压会超出装置电压上限34V。在这种情况下，IPx和接地之间连接的 30V Zener二极管可防止装置输入损毁。将开关阈值设定在输入电压范围的中间，即VIN-ON=VIN-max/2，最大 Zener电流将等于输入电流限制，即 IZ-max=IIN-LIM，而且总输入电流将为电流限制的两倍。
若要节能，必须将电流限制设定为0.5mA。在如此低输入电流的情况下，将LED指示灯连接至Rex输出毫无意义，因为指示灯不会亮起，因此应该将指示灯放置在CMOS输出能够执行LED驱动功能的控制器端。
串行接口
图1显示，对于高达24V额定值或34V最大值的总线电源而言，数字输入序列器可以将总线电压调低至5V，为数字隔离器或微控制器提供充足的电源。不过，在高电压下，在DIS之前调低总线电源电压会大幅降低整体电源效率。在非隔离应用中，使用一个微型电荷泵，并且由控制器电源为DIS提供备用电源，即可更加提高效率。但对于隔离应用而言，则需要隔离式DC-DC转换器穿透隔离阻障提供控制器电源。
之所以需要电气隔离，是由于数字输入序列器一般用于感测远程安装传感器和信号来源的输出电压，例如，AC整流器的输出，其接地电位明显不同于本地控制器接地。将各种接地电位相互连接会造成过多接地循环电流流动。使用数字隔离器可以防止如此的情况发生。
如前所述，DIS数字接口的控制很容易就能够完成。系统控制器只需透过其中一个一般用途输出端，将低作用的短负载脉冲传送至DIS的/LD输入端，即可将目前的电场输入状态锁定于DIS偏移缓存器中。然后，将频率信号施加于CLK线路，以序列方式移出缓存器内容。
如图2所示，只需要将前导装置的序列输出SOP 连接至接续装置的序列输入SIP，DIS的偏移缓存器结构便能够以菊式炼接方式(daisy-chaining)连接多个装置，这种方法适用于高通道数目但仅使用一个串行接口的精简型数字输入模块设计。
一次读取多个DIS装置的内容时，需要较短的读取周期，而标准微控制器SPI接口的最大速度已经可以达到10 MHz或20 Mbps。但是，DIS的串行接口可以支持高达300 Mbps的数据速率，甚至超出高速隔离器的数据速率。因此，若要将读取周期时间缩短至绝对最小值，需要更高的时钟速率，而且必须消除隔离器的传播延迟。
因此，微控制器通常被FPGA所取代，因为FPGA 不仅时钟速率高，而且允许实作接收频率输入(图2的蓝色信号线)。然后，由FPGA发送的相同频率信号，经过隔离器延迟，开始将缓存器内容移出DIS，同时与SOP信号一同透过另一个隔离器通道获得回授，以维持接收频率和数据之间的相位关系。
结论
数字输入序列器是低功耗控制器与高DC电压接口接合最适用的解决方案。SN65HVS88x系列数字输入序列器支持低电压控制器和高电压应用之间的接口设计，具备多样化的功能，例如欠压感测(undervoltage detaction)、电流限制(current limiting)、去除抖动滤波(debouce filtering)、过热防护(thermal protaction)、同位产生(parity generation)及单一5V电源(single 5V supply)
References
● Digital Input Serializer promotes High-Channel Density Input Modules, Kugelstadt, Thomas, Texas Instruments, Industrial Control Design Line, June 2008.
● SN65HVS880 User’s Guide (slau271), Texas Instruments, December 2008.
关于作者
Thomas Kugelstadt 现任德州仪器资深应用工程师，负责订定新式高效能模拟产品，并开发侦测与决定产业系统低位准模拟信号的完整系统解决方案。在德州仪器服务的22年间，Thomas 曾先后受派担任欧洲、亚洲及美国等地的多项国际应用职务，目前也在 Frankfurt University of Applied Science 担任研究工程师一职。
新一代接口装置“数字输入序列器(DIS)”可在接合低功耗微控制器时感测数字输入电压，感测范围最低可达6Vdc，最高可达300Vdc。
本文将介绍数字输入序列器的运作原理及其低、中、高电压输入信号的配置。
运作原理
为了更了解DIS的运作原理，下文以完整的接口设计解说该装置(图1)。一般而言，高电压总线为一组传感器开关S0-S7供电，其开/关状态由装置的8个电场输入IP0-IP7所感测。内部信号处理将输入信号转换为低电压位准，并且将这些电压位准施加于串行输入、序列输出偏移缓存器的输入。微控制器的负载脉冲传输至/LD输入时，内部输入数据即锁定于偏移缓存器中。微控制器将频率信号施加于 CLK，数据以序列方式从DIS中偏移，并透过数字隔离器进入控制器缓存器，即完成偏移缓存器内容的读取。
高电压接口需要使用数字隔离器，使剧烈变化的远程传感器开关接地电位与控制器电子装置的本地接地相隔离。
适用于高电压接口的传感器开关包括近接开关 (proximity switch)、中继接点(relay contact)、限位开关(limit switch)、按钮(push-button)等。对于高输入电压而言，必须进行输入电阻RIN0到RIN7的实作，才能将输入开关阈值升高，而低输入电压的系统通常不需要输入电阻。
图1显示高达34V的电源电压可直接施加于供电端子及8个输入端子，完全不需要保护电阻。在这种电源电压的情况下，内部线性稳压器可以提供稳定的 5V输出，为装置内部电路和外部隔离器或微控制器供电。另一个辅助功能是单芯片温度传感器，在接点温度达到150℃时会向控制器发出警报。
透过可调整的输入电流限制，即可使得装置输入端承受高达34V的高电压。对于纯粹电阻输入的高电压接口而言，由于输入电流增加造成输入电压升高，导致耗电量大幅升高。另一方面，由于将输入电流限制在可透过外部高精度电阻调整的恒定程度，因此 DIS的输入大幅降低耗电量。
此外，各信道都会检查输入信号的强度和耐受力。电流感测及电压感测的功能具有一些内部信号阈值，可用以确保通道不会由任何漏损电流或剩余电压触发。
在开启状态(开关关闭)的情况下，电流比较器会感测输入电流是否高于预先定义的漏损阈值，而电压比较器则感测输入电压是否高于内部固定的参考电压。如果两个比较器输出均为逻辑高位准(logic high)，则可程序去除抖动滤波器将检查输入状态的新变化是否为噪声瞬时或真实输入信号所引起。
在开启状态时，滤波器输出为高位准，而且电流限制器输出连接至信号返回输出(REx)。各个RE输出均有发光二极管(LED)连接接地，可以清楚指示传感器开关的状态，因此如果开关关闭，LED将亮起。在关闭状态(开关开启)时，滤波器输出为低位准，而且电流限制器的输出切换至接地，则LED熄灭。
输入配置
针对某种应用配置数字输入序列器时，只需要注意两个重要的参数，即输入电流限制IIN-LIM和导通阈值VIN-ON。透过外部电阻RLIM以及RIN0到RIN7可调整这两个参数。虽然RLIM定义所有8个输入通道的电流限制，但是使用不同的RIN值即可分别设定各通道的导通阈值。
电流限制器在内部执行比较器功能，其阈值电流 ITH与最大输入电流IIN-LIM完全相同。利用反射比例为 n = 72的电流镜，可从参考电流IREF推导出ITH。由于IIN-LIM与ITH相同，因此最大输入电流可以表示为：
等式 1
IREF 则由内部 1.25V 频沟参考与外部电阻 RLIM 的比例计算而得：
等式 2
将等式 2 插入于等式 1 中，得出 IIN-LIM 为 RLIM 的函数：
等式 3
解出等式 3 的 RLIM，得出设定所需电流限制的电阻值：
等式 4
电场输入导通阈值电压VIN-ON与电流限制、输入电阻及装置输入的导通阈值电压VIP-ON有关。VIP-ON等于内部电压感测比较器的固定5.2 V参考电压。因此，VIP-ON可以表示为：
等式 5
插入VIP-ON的数值，然后代入等式 3 的IIN-LIM 计算结果，得出：
等式 6
然后解出RIN，得出设定指定电流限制条件下所需导通阈值的输入电阻值：
等式 7
因此针对各种应用对DIS进行完全配置只需要两个等式，即等式3用于设定电流限制，以及等式7用于达到所需导通阈值电压。根据这两个等式，表1列出不同输入阈值电压和电流限制的各种电阻组合。
表1中的星号表示相当高的输入电压会超出装置电压上限34V。在这种情况下，IPx和接地之间连接的 30V Zener二极管可防止装置输入损毁。将开关阈值设定在输入电压范围的中间，即VIN-ON=VIN-max/2，最大 Zener电流将等于输入电流限制，即 IZ-max=IIN-LIM，而且总输入电流将为电流限制的两倍。
若要节能，必须将电流限制设定为0.5mA。在如此低输入电流的情况下，将LED指示灯连接至Rex输出毫无意义，因为指示灯不会亮起，因此应该将指示灯放置在CMOS输出能够执行LED驱动功能的控制器端。
串行接口
图1显示，对于高达24V额定值或34V最大值的总线电源而言，数字输入序列器可以将总线电压调低至5V，为数字隔离器或微控制器提供充足的电源。不过，在高电压下，在DIS之前调低总线电源电压会大幅降低整体电源效率。在非隔离应用中，使用一个微型电荷泵，并且由控制器电源为DIS提供备用电源，即可更加提高效率。但对于隔离应用而言，则需要隔离式DC-DC转换器穿透隔离阻障提供控制器电源。
之所以需要电气隔离，是由于数字输入序列器一般用于感测远程安装传感器和信号来源的输出电压，例如，AC整流器的输出，其接地电位明显不同于本地控制器接地。将各种接地电位相互连接会造成过多接地循环电流流动。使用数字隔离器可以防止如此的情况发生。
如前所述，DIS数字接口的控制很容易就能够完成。系统控制器只需透过其中一个一般用途输出端，将低作用的短负载脉冲传送至DIS的/LD输入端，即可将目前的电场输入状态锁定于DIS偏移缓存器中。然后，将频率信号施加于CLK线路，以序列方式移出缓存器内容。
如图2所示，只需要将前导装置的序列输出SOP 连接至接续装置的序列输入SIP，DIS的偏移缓存器结构便能够以菊式炼接方式(daisy-chaining)连接多个装置，这种方法适用于高通道数目但仅使用一个串行接口的精简型数字输入模块设计。
一次读取多个DIS装置的内容时，需要较短的读取周期，而标准微控制器SPI接口的最大速度已经可以达到10 MHz或20 Mbps。但是，DIS的串行接口可以支持高达300 Mbps的数据速率，甚至超出高速隔离器的数据速率。因此，若要将读取周期时间缩短至绝对最小值，需要更高的时钟速率，而且必须消除隔离器的传播延迟。
因此，微控制器通常被FPGA所取代，因为FPGA 不仅时钟速率高，而且允许实作接收频率输入(图2的蓝色信号线)。然后，由FPGA发送的相同频率信号，经过隔离器延迟，开始将缓存器内容移出DIS，同时与SOP信号一同透过另一个隔离器通道获得回授，以维持接收频率和数据之间的相位关系。
结论
数字输入序列器是低功耗控制器与高DC电压接口接合最适用的解决方案。SN65HVS88x系列数字输入序列器支持低电压控制器和高电压应用之间的接口设计，具备多样化的功能，例如欠压感测(undervoltage detaction)、电流限制(current limiting)、去除抖动滤波(debouce filtering)、过热防护(thermal protaction)、同位产生(parity generation)及单一5V电源(single 5V supply)
References
● Digital Input Serializer promotes High-Channel Density Input Modules, Kugelstadt, Thomas, Texas Instruments, Industrial Control Design Line, June 2008.
● SN65HVS880 User’s Guide (slau271), Texas Instruments, December 2008.
关于作者
Thomas Kugelstadt 现任德州仪器资深应用工程师，负责订定新式高效能模拟产品，并开发侦测与决定产业系统低位准模拟信号的完整系统解决方案。在德州仪器服务的22年间，Thomas 曾先后受派担任欧洲、亚洲及美国等地的多项国际应用职务，目前也在 Frankfurt University of Applied Science 担任研究工程师一职。
