jiuyou.com-如何使用工业级串行数字输入来设计具有并行接口的数字输入模块

发布时间：2026-04-23 来历：Wei Shi，高级司理 Reinhardt Wagner，前杰 责任编纂：lily

【导读】MAX22190及MAX22199默许提供串行化数据，但于需要及时、低延迟或者更高速率的体系中，最佳为每一个工业级数字输入通道提供电平转换的及时逻辑旌旗灯号。这些工业级数字输入于基在SPI或者引脚(LATCH)的时序节制下，对于8个24 V灌电流输入的状况举行采样及串行化，以便用户可以经由过程SPI读出8个状况。利用串行接口可以只管即便削减需要断绝的逻辑旌旗灯号数目，对于在高通道数数字输入模块颇有帮忙。

配景常识

逻辑旌旗灯号的串行化是指经由过程对于旌旗灯号举行同步采样，将旌旗灯号酿成时间量化的情势。但这象征着及时信息内容会丢掉。于某些体系中，这类信息丢掉可能会激发问题。例如，增量编码器或者计数器等运用存眷开关旌旗灯号之间的时序差异。这些运用要末需要采用高速采样及高速串行读出，要末需要使用MAX22195所提供的非串行化并行数据。经由过程并行操作方式利用MAX22190/MAX22199，可以或许实现诊断功效及配置矫捷性。本文深切切磋了这类要领的特色、局限性及设计考量。

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这项技能的焦点于在将8个LED输出用作逻辑旌旗灯号。LED可以直不雅地唆使数字输入的状况，这对于在安装、维护及利用都颇有用。IEC 61131-2尺度明确界说了工业级输入的特征及规格，而输出状况素质上是二元的：要末为开，要末为关。

MAX22190/MAX22199采用无能耗LED驱动器，LED由现场传感器/开关供电，而不是从数字输入模块中的电源得到电流/功率。这些器件将输入电流限定于由REFDI电阻设置的某一程度。如许做是为了只管即便降低模块的功耗。对于在常见的1型/3型数字输入，输入电畅通常设置为约2.3 mA（典型值），年夜在IEC尺度要求的2.0 mA最小值。IC将约2.3 mA现场输入(IN)电流的年夜部门传输至LED输出引脚，芯片仅耗损约160 µA电流。

LED驱动器输出的是电流而非电压，是以需要将电流转换为电压，才能与其他逻辑器件（如数字断绝器、微节制器等）对于接。为了实现此目的，电阻是最简洁的跨阻元件，如图1所示。

图1.LED引脚用作基在电压的逻辑输出

产物数据手册中没有先容怎样以这类方式利用LED输出引脚。本文切磋了其特征及可能的局限性。

LED引脚特征

于LED引脚上利用接地电阻来孕育发生电压输出时，需要思量如下事项：

LED引脚容许的最年夜电压是几多？

从LED引脚到IN引脚是否存于交互/反馈？

详细来讲：因为IEC尺度划定了最小电流程度，LED引脚上的电压是否会致使IN输入电流发生变化？

LED输出电流是否体现出不良的瞬态举动，例如过冲或者上升/降落迟缓？

当输入以高速度切换时，LED输出是否合适用作高速逻辑旌旗灯号？

LED输出是否需要滤波？（可经由过程SPI编程）

按照MAX22190/MAX22199数据手册所列的绝对于最年夜额定值，容许的最年夜LED引脚电压为+6 V。是以，LED引脚合适用作5 V（及3.3 V）逻辑输出，但须留意，电压不患上高在6 V。

需要评估LED引脚电压对于其他要害特征的影响。尤其值患上存眷的是于高LED引脚电压下IN输入电流的变化，由于相干尺度对于IN输入电流有明确要求。对于在3型数字输入，要留意的要害环境是现场电压靠近所界说的11 V导通状况阈值电压时。

对于在靠近11 V电平的三个现场输入电压（9 V、10 V及11 V），图2显示了实测的现场IN电流与LED引脚电压的依靠瓜葛。之以是选择10 V及9 V电平，是由于它们处在3型输入的过渡区间内，而且它们的输入电流没有最小值要求，而11 V要求输入电流的最小值为2 mA。

当现场电压为11 V阈值时，蓝色曲线显示：当LED电压高在约5.8 V时，IN电流最先降落。于6 V时，电流仅降落0.6%。对于在9 V及10 V的环境（它们处在对于电流无明确要求的过渡区间），丈量成果显示：对于在高达5.5 V的输入，输入电流仍旧高在2 mA。

总之，以上成果注解MAX22190/MAX22199可以或许孕育发生5 V LED逻辑输出（和3.3 V等较低电压逻辑输出），同时仍旧兼容3型数字输入。对于在1型数字输入，环境很是简朴，由于导通阈值为15 V，要高患上多，于是LED引脚也能提供5 V逻辑电平，而不会对于现场输入电流孕育发生任何影响。

并行操作示例

图3显示了一个10 kHz现场输入（黄色曲线）和所孕育发生的LED输出电压（蓝色曲线）。LED输出上利用了一个1.5 kΩ电阻，以提供3.3 V逻辑旌旗灯号。毛刺滤波已经禁用（默许旁路模式）。

图2.现场输入电流与LED引脚电压的依靠瓜葛

关在切换前提下LED输出电流的瞬态举动，图3显示了10 kHz切换的环境。利用1.5 kΩ电阻将电流转换为电压。示波器截图显示，LED输出不会孕育发生可能毁坏逻辑输入器件的瞬态过冲或者下冲。上升及降落时间很快，不会造成旌旗灯号掉真。

利用SPI接口

MAX22190/MAX22199具备SPI可编程滤波器，撑持每一通道毛刺/噪声滤波。这些器件提供8个最长20 ms的滤波时间常数。针对于高速运用，可以旁路滤波器。选定的噪声滤波也合用在LED输出，以使视觉体现与电旌旗灯号一致。

诊断经由过程SPI提供，例如低电源电压报警、过热正告、REFDI及REFWB引脚上的短路检测和现场输入的断线检测。

寄放器位的上电默许状况为：

所有8个输入都处在使能状况

所有输入滤波器都处在旁路状况

断线检测处在禁用状况

REFDI及REFWB（仅限MAX22199）引脚的短路检测处在禁用状况

是以，于不需要毛刺滤波（好比对于在高速旌旗灯号）及诊断的运用中，无需利用SPI接口。假如需要每一通道可选的毛刺/噪声滤波，或者者需要诊断检测功效，则可使用SPI。

图3.10 kHz切换；通道1：现场输入；通道2：LED输出。

LED输出波形没有显示出过冲或者其他不良的异样征象，例如导通状况下电压变化不定。这申明LED输出可以用作电压输出。咱们对于其特色及局限性举行了研究。

毛刺滤波

MAX22190及MAX22199提供每一通道可选的毛刺滤波。下面以滤波时间设置为800 µs的200 Hz开关旌旗灯号为例，展示毛刺滤波器对于LED输出的影响。指定的毛刺宽度经由过程转变占空比来模仿。对于正毛刺及负毛刺均举行了研究。

图4显示了750 µs正脉冲被800 µs毛刺滤波器滤除了的示例。是以，正毛刺滤波对于LED输出及SPI数据均有用。

图4.正毛刺滤波

然而，负毛刺并未于LED输出端被滤除了，如图5所示，750 µs降落脉冲流传到LED输出端。这与利用SPI读出数据的环境差别，后者的正毛刺及负毛刺均被乐成滤除了。

图5.负毛刺滤波

图6显示了使能800 µs毛刺滤波器且输入以50%占空比切换时的LED输出旌旗灯号。上升沿延迟约770 µs，而降落沿没有延迟。这申明滤波器未能妥帖处置惩罚LED输出。

图6.对于LED输出的滤波效应

高频切换

对于在要求高开关频率、低传输延迟或者低偏斜的运用，毛刺滤波会被禁用。于旁路模式（毛刺滤波器）及100 kHz输入下，LED输生产生图7所示的波形。降落沿显示出约60 ns的低传输延迟，但上升沿具备显著的传输延迟及抖动。上升沿抖动于±0.5 µs规模内，平均传输延迟为约1 µs。上升延迟及抖动的缘故原由是约1 MHz的采样，如数据手册中所述。于降落沿不会发生采样，是以相应速率很快。

图7.100 kHz输入切换，滤波器旁路

这注解，LED输出具备最约莫1.5 µs的上升时间/降落时间偏斜，并伴有抖动。通道间偏斜于降落沿较低，但于上升沿要高患上多。这可能会限定LED输出于某些运用中的利用。

设计考量

本部门会商LED输出引脚用作电压输出时需要思量的一些事项。

为确保安全，该当对于MAX22190/MAX22199电流驱动型LED输出的电压举行限定，使之不跨越所驱动的逻辑输入的安全电平。虽然REFDI电阻将IN现场输入电流设置为典型电流程度，但现实IN电流存于±10.6%的容差，如数据手册中所述。

是以，电阻两头的电压将于±10.6%规模内。逻辑输入凡是存于严酷划定的绝对于最年夜额定值，如VL + 0.3 V，此中VL为逻辑电源电压。当毗连两个逻辑旌旗灯号时，凡是利用大众VL电源来确保匹配，由于尺度逻辑输出采用推挽或者开漏输出，其最年夜输出电压由逻辑电源VL界说/限定。

为了确保输入不跨越绝对于最年夜额定值，可以降低典型LED引脚的输出电压。或者者，可以认为LED引脚的约2.3 mA输出电流不会对于逻辑输入造成侵害，由于逻辑输入凡是设计成可以或许蒙受远高在此的闩锁电流（一般于50 mA至100 mA规模）。这需要针对于所思量的器件举行验证。第三种方案是经由过程箝位来限定电压，此方案相对于而言不睬想。

尺度逻辑输出为推挽式，阻抗较低，为驱动逻辑输入提供了很好的矫捷性。比拟之下，LED输出是开漏输出，开关速率由下拉电阻及寄生电容决议。

于无分外电容的环境下，可以实现100 kHz和以上的开关频率。

结论

虽然按照文档的申明，MAX22190/MAX22199工业级数字输入用在串行数据操作，但它们也可用作提供8个并行输出的8通道输入模块。为实现此目的，原本用在视觉状况唆使的LED驱动器被转用作基在电压或者基在电流的逻辑输出。以这类方式利用并行操作时，是否利用SPI接口并不是强迫要求，用户可以得到所有诊断及器件配置功效，但也存于一些限定。

称谢

本文系与Rockwell Automation资深硬件工程师Chin Chia Leong互助撰写。

作者简介

Wei Shi是ADI公司工业级主动化事业部的运用工程司理，事情所在于美国加利福尼亚州圣何塞。她在2012年插手Maxim Integrated（现为ADI公司的一部门），担当运用工程师。她2012年卒业在纽约年夜学，获电气工程硕士学位。

Reinhardt Wagner是ADI公司的前卓异工程师，事情所在于德国慕尼黑。于21年的任职时期里，他重要卖力通讯及输入/输出器件范畴的新型工业级芯片产物界说事情，触及IO-Link、快速数字I/O、Beyond-the Rails™模仿开关及数字断绝等产物。