開關(guān)量GPIO設(shè)計(jì)指南

GPIO作為常用個(gè)開關(guān)量控制信號(hào)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)控制。當(dāng)GPIO配置為DI和DO時(shí)，干節(jié)點(diǎn)與濕節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范是否一致呢?GPIO配置為DI采集時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)易于識(shí)別的“0”和“1”信號(hào)狀態(tài)。

DO：數(shù)字量輸出，把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能對(duì)生產(chǎn)過程中控制的“0”和“1”信號(hào)狀態(tài)。

2、DI/DO的干濕節(jié)點(diǎn)介紹

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

常見的干節(jié)點(diǎn)：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(diǎn)的定義是：有源開關(guān);具有有電和無電的2種狀態(tài);2個(gè)接點(diǎn)之間有極性，不能反接。

常見的濕節(jié)點(diǎn)有：NPN三極管的集電極輸出和VCC、達(dá)林頓管的集電極輸出和VCC、紅外反射傳感器和對(duì)射傳感器的輸出等。

3、DI/DO驅(qū)動(dòng)阻抗設(shè)計(jì)

此處以NXP i.MX 6UL為例，常規(guī)對(duì)于GPIO作為輸出接口時(shí)，OVDD電壓為1.8V或3.3V，若GPIO設(shè)計(jì)為DO時(shí)需要注意哪些事項(xiàng)呢?

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

圖1 分壓器等效電路

圖2 基于1.8V的驅(qū)動(dòng)阻抗表

圖3 基于3.3V的驅(qū)動(dòng)阻抗表

4、設(shè)計(jì)隔離DI/DO的建議方案

在工業(yè)場(chǎng)合對(duì)DI/DO的設(shè)計(jì)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(diǎn)電路，其中的DIx、GIx連接到觸點(diǎn)開關(guān)的兩端，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，光耦輸入回路二極管導(dǎo)通，輸出回路光電接收管導(dǎo)通，輸入端GPIx為低電平;當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，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(diǎn)傳輸電纜示意圖

圖5是光耦隔離數(shù)字量濕節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)的正端接于DIx接口，將負(fù)端接于GIx接口，當(dāng)輸入的電壓大于4V小于18V時(shí)，光耦導(dǎo)通;當(dāng)輸入的電壓小于1V時(shí)，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(shí)，用戶必須在外部電路加上拉電源，簡(jiǎn)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(shí)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(shí)，由于芯片內(nèi)部提供DO驅(qū)動(dòng)電流為mA級(jí)且驅(qū)動(dòng)電壓為1.8V或3.3V，無法滿足所有的應(yīng)用環(huán)境。DO應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的開關(guān)量設(shè)計(jì)，需更具不同的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行繼電器隔離、電平轉(zhuǎn)換、電阻上拉設(shè)計(jì)，可有效防止電壓信號(hào)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